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炼焦煤成焦机理再认识:“衍构成焦机理”的提出

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煤炭学报 2024年第6期49卷 2826-2839页

作者：崔贝贝王美君常丽萍谢克昌太原理工大学省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室山西太原030024 太原理工大学煤科学与技术教育部重点实验室山西太原030024

深度认识煤质特性、探究炼焦煤成焦机理是开发精细化配煤炼焦技术的关键。传统成焦机理仅宏观地解释了炼焦煤炭化过程中的塑性和黏结现象,缺乏对煤转变为焦炭所涉及的化学反应的深层次认识。基于此,从分子水平阐述了炼焦煤成焦特性的演... 详细信息

深度认识煤质特性、探究炼焦煤成焦机理是开发精细化配煤炼焦技术的关键。传统成焦机理仅宏观地解释了炼焦煤炭化过程中的塑性和黏结现象,缺乏对煤转变为焦炭所涉及的化学反应的深层次认识。基于此,从分子水平阐述了炼焦煤成焦特性的演化机制并提出了“衍构成焦机理”,其核心观点是:煤的焦化本质是煤分子在温度作用下发生的一系列化学反应;成焦过程中的一切宏观特性都取决于煤基体的瞬态空间结构,即“结构决定性质”;炼焦过程中传热传质条件的动态变化将影响煤的热转化行为进而影响成焦特性和焦炭质量,即“环境影响行为”。基于煤分子结构特性及热解过程中共价键的断裂和重建规律,重点分析了炼焦煤的流动性、膨胀性及其演化机制,探究了煤分子空间结构重排与焦炭强度的内在联系。流动性源于煤中弱共价键的断裂,终于芳香碎片的交联缩聚。在流动过程中,煤热解碎片以分子链段的形式向孔穴相继跃迁并封闭孔隙,形成了包含塑性层和部分煤层及半焦层的低透气带,限制了挥发分的释放从而产生了膨胀压力;同时,碳基质结构发生重排,取向性增加,sp^(2)杂化和sp^(3)杂化形式的碳原子的空间排布方式决定了焦炭的强度。加热速率的合理调控将明显改善焦炭强度并实现焦化过程节能降耗。“衍构成焦机理”是对传统煤成焦机理的补充和延伸,以期为现代煤焦化工业精细化发展提供理论指导和技术支撑。

关键词：成焦机理分子结构转变成焦特性传热传质条件焦炭质量

催化剂对煤热解焦油品质的调控及其表面积炭行为的分析

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煤炭学报 2024年第2期49卷 1067-1082页

作者：鲍卫仁王倩李挺田茜王旎晨闫伦靖王美君常丽萍太原理工大学省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室山西太原030024 太原理工大学煤科学与技术教育部重点实验室山西太原030024 山西能源学院山西晋中030600

以催化剂为核心和焦油提质为目的的低阶煤热解技术是保障国家能源安全和实现“双碳”目标的煤炭清洁高效转化技术。鉴于煤焦油品质调控和催化剂表面积炭行为的复杂性,阐述了金属、金属氧化物、天然矿物质、分子筛和炭基催化剂对煤和热... 详细信息

以催化剂为核心和焦油提质为目的的低阶煤热解技术是保障国家能源安全和实现“双碳”目标的煤炭清洁高效转化技术。鉴于煤焦油品质调控和催化剂表面积炭行为的复杂性,阐述了金属、金属氧化物、天然矿物质、分子筛和炭基催化剂对煤和热解挥发物的催化作用及其对热解产物分布和组成的影响,并对比分析了各类催化剂的优缺点。探讨不同催化剂物理化学性质的区别及其与催化性能之间的关系,结合煤及热解挥发物中C—C、C—H、C=C、—OH、C=O、C—O和—COOH等化学键的断键行为,揭示了不同催化剂的作用机制。在此基础上,针对催化过程中存在的焦油产率低及提质效果差的问题,提出了利用金属尤其是过渡金属改性催化剂活化热解体系中的内部小分子氢供体和外部固体/气体氢供体对重质组分裂解碎片原位供氢的方法,实现焦油产率的提高及焦油品质的改善。同时,针对催化剂易积炭失活问题,分析了积炭的物理化学性质和组成以及积炭形成的原因。从催化剂设计及热解反应体系出发,分析了多种有效抑制积炭的途径,如多级孔与金属活性位点的组合效应、双金属改性调控Brønsted和Lewis酸性位点的比例、酸碱双功能催化剂的开发以及引入H_(2)O、CH_(4)、C_(2)H_(6)和CH_(3)OH等富氢小分子调控挥发物组成等,以期为低阶煤催化热解技术的发展提供理论基础。

关键词：低阶煤热解挥发物催化裂解焦油提质

基于场协同理论的热空气吹掠型太阳能蒸馏器对流传热性能优化分析

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太阳能学报 2024年第4期45卷 524-531页

作者：高虹刘敬花闫素英聂晶内蒙古工业大学能源与动力工程学院呼和浩特010051 风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室呼和浩特010051

以热空气吹掠型太阳能蒸馏器为研究对象,利用数值模拟结果和均匀设计法分析蒸馏器内流动与传热场协同角的变化规律和影响因素。结果表明,影响场协同角的主要因素是热空气进口速度,热空气进口温度和水温的影响不显著。在蒸馏水温30~70℃... 详细信息

以热空气吹掠型太阳能蒸馏器为研究对象,利用数值模拟结果和均匀设计法分析蒸馏器内流动与传热场协同角的变化规律和影响因素。结果表明,影响场协同角的主要因素是热空气进口速度,热空气进口温度和水温的影响不显著。在蒸馏水温30~70℃、进口空气温度40~90℃,进口空气速度为8 m/s时平均传热场协同角最小,为73.14°,传热系数最大,可达到同等条件下自然对流传热系数的4倍。

关键词：太阳能蒸馏场协同均匀设计强化传热

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叶片旋向对风力机尾流特性影响的试验研究

太阳能学报 2024年第2期45卷 127-134页

作者：徐文权东雪青韩玉霞汪建文高志鹰郭旭内蒙古工业大学能源与动力工程学院呼和浩特010051 教育部风能太阳能利用技术省部共建重点实验室呼和浩特010051

采用一种简单、有效的方法来改善风力机尾流效应,提升下游风力机功率。进行叶片旋向对风力机尾流特性的试验研究,利用低频粒子图像测速(PIV)系统对NACA4415翼型的叶片进行扰流流场测试并采集风力机的尾流数据。当2台串列排布的风力机旋... 详细信息

采用一种简单、有效的方法来改善风力机尾流效应,提升下游风力机功率。进行叶片旋向对风力机尾流特性的试验研究,利用低频粒子图像测速(PIV)系统对NACA4415翼型的叶片进行扰流流场测试并采集风力机的尾流数据。当2台串列排布的风力机旋向不同时,首先在下游风力机前1D(D为风轮直径)处,叶尖涡涡核位置向中央尾迹区偏移,而外部主流区的流体在叶尖涡诱导区的输运和卷吸作用下持续进入中央尾迹区并与之掺混使得轴向速度恢复得更佳;进而分析下游风力机后1D的流场数据,结果显示:虽然下游风力机叶尖涡几何结构被“打碎”,但涡核能量却未降低;最后探讨影响风力机功率特性的因素,下游风力机入流角的增大促使下游风力机捕获更多风能,在风轮间距为2D时,逆向旋转的功率比比同向旋转时高4.70%,且功率比随间距增加其增幅逐渐减小。

关键词：叶片旋向粒子图像测速法水平轴风力机气动性能尾迹流场功率

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聚丙烯/改性二氧化钛纳米复合纤维的制备及其在煤化工废水处理中的应用

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高分子材料科学与工程 2024年第8期40卷 96-106页

作者：邵腾飞李洋甄卫军周玉生马春梅孙朋涛葛庆徐建波陈步宁省部共建碳基能源资源化学与利用国家重点实验室、石油天然气精细化工教育部重点实验室新疆大学化工学院新疆乌鲁木齐830017 新疆宣力环保能源股份有限公司新疆哈密839000

以二氧化钛为原料制备了改性二氧化钛(m@TiO_(2)),然后以其为助剂通过熔喷非织造技术制备了聚丙烯/m@TiO_(2)纳米复合纤维膜。通过正交实验确定了其最优制备工艺条件为,热风温度为295℃、热风压力为400 kPa、料筒压力为400 kPa。对聚丙... 详细信息

以二氧化钛为原料制备了改性二氧化钛(m@TiO_(2)),然后以其为助剂通过熔喷非织造技术制备了聚丙烯/m@TiO_(2)纳米复合纤维膜。通过正交实验确定了其最优制备工艺条件为,热风温度为295℃、热风压力为400 kPa、料筒压力为400 kPa。对聚丙烯/m@TiO_(2)纳米复合纤维膜的结构和热性能进行了表征,并研究了其在煤化工废水中的应用。结果表明,PP5纳米复合纤维膜的结晶度为37.6%,孔隙率为96.3%,纤维平均直径为3.8μm,且具有较高的热稳定性。在pH=3、温度为45℃、吸附时间50 min时,测试了PP1与PP5对煤化工废水吸附处理降低化学需氧量(COD)值。结果表明,PP5对COD的去除率达到了20.1%,远高于PP1(COD的去除率11.1%)。25℃下经过光催化降解后,PP5对COD的去除率达到82.5%,表明PP5具有优异的光催化降解煤化工废水中有机物的性能,并且PP5对煤化工废水中有机物的光降解反应符合一级动力学模型。聚丙烯/m@TiO_(2)纳米复合纤维膜对降低煤化工废水中的COD表现出良好的应用前景。

关键词：聚丙烯改性二氧化钛熔喷非织造纳米复合纤维煤化工废水

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超级电容器用生物质基碳材料研究进展

低碳化学与化工 2024年第10期 38-46页

作者：曲伟强赵佳辉王双刘冬王淼王建成米杰冯宇太原理工大学省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室煤科学与技术教育部重点实验室

超级电容器作为一种清洁型电化学储能器件在实现可再生能源存储转化领域具有巨大潜力，而碳材料因具有微观孔隙结构可调节、化学稳定性优异的优点在电化学储能领域得到了广泛应用。与此同时，生物质作为制备碳基材料的可再生前体，具有... 详细信息

超级电容器作为一种清洁型电化学储能器件在实现可再生能源存储转化领域具有巨大潜力，而碳材料因具有微观孔隙结构可调节、化学稳定性优异的优点在电化学储能领域得到了广泛应用。与此同时，生物质作为制备碳基材料的可再生前体，具有储量丰富、易获取、环保且成本低的优点。然而，由于生物质碳前体的化学组成复杂，导致不同生物质衍生碳材料在微观结构和表面性质方面存在较大差异，生物质衍生碳材料在超级电容器中的实际应用具有一定挑战。对超级电容器用生物质基碳材料的研究现状进行了综述，总结了生物质的组成和生物质基碳材料的制备工艺对生物质基碳材料微观结构的影响，并对具有不同维度结构的生物质基碳材料在超级电容器中的应用进行了介绍。对生物质基碳材料在超级电容器中的应用进行了展望，以期为生物质基碳材料的结构和表面功能调控以及开发低成本且性能优异的超级电容器的电极材料提供参考。

关键词：生物质热解碳材料电化学超级电容器

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ML-QSPR方法预测煤基液体的燃料性能

煤炭学报 2024年第2期49卷 1098-1110页

作者：李文英王香玲范欢欢范鸿霞冯杰太原理工大学省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室山西太原030024 北京怀柔实验室北京101400 怀柔实验室山西研究院山西太原030032

煤基液体混合物如煤焦油、煤直接液化油的分子结构描述和性质预测是开发煤基液体产品高值化工艺和技术的重要基础。由于煤基液体主要由C、H、O、N、S元素构成数量庞杂、芳环结构各异的混合物,因此,使用Python中的RDKit工具包,利用简化... 详细信息

煤基液体混合物如煤焦油、煤直接液化油的分子结构描述和性质预测是开发煤基液体产品高值化工艺和技术的重要基础。由于煤基液体主要由C、H、O、N、S元素构成数量庞杂、芳环结构各异的混合物,因此,使用Python中的RDKit工具包,利用简化分子线性输入规范(Simplified Molecular Input Line Entry System,SMILES)语言构建煤基液体中物质分子描述符,描述符包含样品元素信息、环数与环结构信息、原子数及分子量信息等共计115个分子描述符。对比人工信息提取方法,将所构建的分子描述符能够体现煤基液体分子结构碎片、分子量及原子个数信息等作为机器学习的特征输入变量,用于建立预测煤基液体的燃料性能的分子机器学习-定量结构性质关系方法 (ML-QSPR),实现对燃料低位热值(LHV)、液体密度(ρ)、闪点(FP)、十六烷值(CN)4个关键燃料性能参数的快速预测。模型验证分析表明LHV、ρ、FP模型的R^(2)分别为0.996、0.988、0.987;CN预测中加入混合物数据进行预测,R^(2)=0.959。与已公开报道的预测LHV、ρ、FP、CN性质方法对比,笔者提出ML-QSPR方法在预测4个关键燃料性能参数准确度方面有提升,在获取结果速度方面有显著优势。利用ML-QSPR模型预测得到的煤基液体制特种燃料性能参数数据库中的信息,分析增加不同族组分物质的碳原子数量时4个燃料性能参数的演变趋势,发现LHV、ρ、FP、CN四个燃料性能参数均受碳数(n)影响显著。由于LHV主要由n决定,不同族组分物质的LHV差距小;而不同族组分物质的ρ、FP和CN性质差距明显。此外,本研究训练好的模型可用于预测新的分子,为新型燃料分子设计提供参考;ML-QSPR方法作为迁移学习模型可在今后用于煤基液体其他场景相关理化性质的分析。

关键词：煤焦油煤直接液化油煤结构煤组成成分分子描述符

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水热合成锌锰基脱硫剂中晶体生长机制研究

洁净煤技术 2024年

作者：武帅山孙阳杰牛芳芳王建成米杰冯宇太原理工大学省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室太原理工大学煤科学与技术教育部重点实验室

中高温煤气脱硫是实现煤炭清洁高效利用的关键技术之一。由金属氧化物脱硫反应动力学中硫化物生长扩散机理可知，保持脱硫剂活性组分高分散和小尺寸有利于减小脱硫反应扩散传质阻力，提高活性相利用率。采用不同种类锌盐和六亚甲基四胺(... 详细信息

中高温煤气脱硫是实现煤炭清洁高效利用的关键技术之一。由金属氧化物脱硫反应动力学中硫化物生长扩散机理可知，保持脱硫剂活性组分高分散和小尺寸有利于减小脱硫反应扩散传质阻力，提高活性相利用率。采用不同种类锌盐和六亚甲基四胺(HMTA)在负载有MnO2种子层的纳米纤维载体上水热合成了一系列锌锰复合氧化物脱硫剂。通过探讨反离子与锌锰氧化物晶粒尺寸的内在关系，阐明了活性相晶体成核及生长机制。研究表明，水热溶液中反离子对Zn2+与OH-络合缩合反应有显著的抑制作用，反离子分别为NO3-和SO42-相比，脱硫剂中Mn3O4晶相平均晶粒尺寸减小39.2%，活性相颗粒粒径减小24.7%。同时，脱硫测试表明，脱硫剂ZN@MCNFs的总体活性组分利用率比ZS@MCNFs提高7%。研究所阐明的锌锰基脱硫剂晶体生长机制，为开发性能优异的金属氧化物脱硫剂提供了理论支撑。

关键词：煤气脱硫水热合成晶体生长反离子硫化氢

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切变湍流对风力机尾迹恢复特性影响实验研究

太阳能学报 2024年

作者：韩玉霞朱长海金凯宁陈雪明杨斌内蒙古工业大学能源与动力工程学院教育部风能太阳能利用技术省部共建重点实验室

为研究切变湍流对风力机尾迹恢复特性的影响规律，采用热线风速仪在风洞闭口段分别采集自由流、均匀湍流及切变湍流入流时风力机下游尾迹数据。通过对比3种入流工况下水平轴风力机轴向速度和湍流强度等物理量，解析均匀湍流、切变湍流... 详细信息

为研究切变湍流对风力机尾迹恢复特性的影响规律，采用热线风速仪在风洞闭口段分别采集自由流、均匀湍流及切变湍流入流时风力机下游尾迹数据。通过对比3种入流工况下水平轴风力机轴向速度和湍流强度等物理量，解析均匀湍流、切变湍流耦合塔影效应对风力机尾迹恢复特性的影响。结果表明：均匀湍流时尾迹速度恢复最快，自由入流次之，切变湍流入流最慢；对于尾迹湍流强度恢复能力依次为均匀湍流最快，切变湍流次之，自由入流最慢。湍流强度增加会促进尾迹恢复，但风切变和塔影效应则会起抑制作用；均匀湍流耦合塔影效应会促进尾迹中心下移，而切变湍流耦合塔影效应则会延缓该趋势，说明风切变对尾迹偏斜的影响比塔影效应更显著。

关键词：水平轴风力机切变湍流尾迹恢复塔影效应热线风速仪风洞实验