項目名稱：

低品質煤大規模提質利用的基礎研究首席科學家：劉炯天中國礦業大學起止年限：2012.1-2016.8依托部門：江蘇省科技廳一、關鍵科學問題及研究內容1．關鍵科學問題針對上述領域涉及的重要科學基礎，本項目以低品質煤大規模提質利用為核心，凝煉出擬解決的三個關鍵科學問題。關鍵科學問題一：低品質煤中礦物、硫、水等雜質的賦存及化學與物理作用低品質煤提質的科學基礎是對雜質賦存及化學和物理作用的認知。有別于傳統的基于有機質展開的煤化學研究，煤的雜質賦存化學主要研究雜質的化學組成、結構及其與煤有機質分子間的相互作用，而賦存物理主要研究雜質的形態、形貌及嵌布方式等。煤中的粗粒礦物可通過一般選煤方法脫除，但煤炭深度脫硫降灰是針對煤中微細礦物展開的。煤中微細礦物一般是指肉眼難以分辨的、嵌布在有機質中通過常規選煤方法不能脫除的礦物，如浸染黃鐵礦、原生黏土礦物等，微細礦物難于脫除的原因在于其被煤包裹并與煤本體形成復雜的結構關系。因此，需要深入研究微細礦物種類、組成、在有機質中的嵌布形態和分布規律及其對脫除的影響。有機硫存在于煤有機分子結構中，由于煤有機結構的復雜性，目前對煤中有機硫的研究主要關注含硫官能團的辨識以及在利用過程中硫的化學變遷。煤中有機硫定向脫除的關鍵是深入認識各種含硫組分及含硫化學結構與基團在煤有機質中的賦存規律，闡明煤有機結構與相應含硫基團和結構間的作用類型與作用規律，解析典型有機含硫組分的化學結構、硫鍵和相關結構對不同形式的外加能量的化學物理響應規律，從而找到有機硫的脫除機理和方法。煤炭高含水的原因在于其含有大量的含氧官能團和發達的孔結構。含氧官能團的組成、結構、存在形態和分布規律對煤持水特性有重要影響；褐煤孔隙中水的富集和作用機制與有機質的內表面吸附性及毛細管作用有關，各種含氧官能團和孔隙結構相互交織形成的多維空間體系使水的賦存更加復雜，不同賦存形態的水與本體間的作用力形式和大小不同。對這些問題的深入認知是煤脫水提質的關鍵基礎。關鍵科學問題二：雜質組分脫除的能量作用機制和界面調控煤中雜質組分脫除的本質是外界輸入能量克服雜質組分與煤本體之間結合能的過程，不同的雜質組分具有不同的結合能。煤脫水的理論基礎應當是對煤中羧基和羥基等含氧官能團造成強持水性的原因、發達孔結構中水的表面吸附和毛細管作用機制的充分認知，并系統研究不同賦存形式水脫除所對應的本征能量和不同環境條件下脫水過程的熱力學特征，從而為構建煤低能耗脫水的技術原型提供科學理論支持。煤微波輻照下脫硫是基于微波的穿透性和微觀靶向能量作用。對煤及其含硫組分的微觀化學結構、介電性質及其差異性和表征方法的研究是煤微波脫硫的基礎；研究微波頻率、功率和耦合諧振方式等條件與硫組分解離效應的匹配，可為微波輻照下煤中硫組分的降解脫除提供科學理論和方法指導。分離過程涉及不同尺度的相界面，相界面能的有效調控是低品質煤高效提質的基礎。煤脫水后界面能的改變是引起提質煤界面不穩定性的重要因素，因此需要研究煤在不同能量場作用下表面含氧官能團的脫除機制，揭示導致界面不穩定的不飽和力場和價鍵形式，從而為有效降低提質煤的界面能，解決提質煤貯存和運輸過程中穩定性問題提供理論基礎。微細粒煤的浮選是低品質煤的深度脫硫降礦物灰的重要方法，（煤）－水界面能的調控是影響浮選行為與效果的關鍵因素，因此，應當系統研究煤與礦物的潤濕性差異、煤－水－藥劑的界面作用及其調控機制，以便為提高微細粒煤礦化效果、強化浮選過程提供科學基礎。關鍵科學問題三：低品質煤大規模提質利用的流態化基礎與過程動力學傳統的流態化基礎與過程動力學在動力工程和化學工程等領域研究較多，主要集中在氣固或多相流態化的流型及與之關聯的物性和結構參數方面，對形成穩定的氣固兩相流為分離介質的分選流態化研究很少，具有寬尺度多組分特性的煤炭在流態化中的精確分離是研究的熱點和難點。因此，應該研究寬尺度氣固流態化系統穩定的動力學基礎及分離過程，特別是煤炭提質的寬尺度多相流動規律及相間的相互作用機理，顆粒表面化學動力學與顆粒動力學，煤炭分離提質的流態化和能量高效傳遞。低品質煤炭深度脫硫降灰的核心在于煤中微細礦物的高效脫除，難點是煤與礦物分離過程的非均衡性以及微細礦物的微尺度效應。因此，應該研究煤中微細礦物在分選過程中的界面行為與礦化特性，不同流態條件下微細礦物的能量作用機制、礦化反應規律及高效礦化機理，特別是與礦物的非線性物性匹配的多流態梯級強化非均衡過程動力學，基于非均衡過程的分選動力學等。低品質煤提質前后雜質賦存和物理化學特性發生了顯著變化。因此，應該研究提質煤孔隙結構、含氧官能團、礦物成分、表面性質變化對其高效燃燒反應特性的影響機理，灰熔融特性變化及調控規律，雜質元素在燃燒等過程中的遷移及控制規律。2．主要研究內容本項目研究以低品質煤的雜質賦存化學與物理為基礎，以低品質煤提質的物質認知基礎—能量作用機制和界面調控—過程強化—提質利用為研究主線，以大規模提質為目的，圍繞項目的關鍵科學問題，重點開展以下方面的研究：低品質煤的礦物、硫、水等雜質賦存化學與物理低品質煤中微細礦物組成、賦存及其分配遷移模型低品質煤的有機含硫結構及其典型賦存特性③褐煤含水結構及水的賦存化學與物理煤炭脫水提質的量子/分子力學分析與能量機制煤炭脫水本征能量的量子/分子力學研究煤炭脫水分子機制及技術原型③提質煤的界面穩定性及其調控煤中含硫組分對微波的化學物理響應與脫除煤及其含硫組分的非均質介電特性含硫組分結構對微波的斷鍵響應及硫降解規律③微波脫硫動力學及調控低品質煤干法脫灰脫水的流態化基礎大型濃相分選流態化的穩定機制煤炭干法脫灰脫水的分離過程及其動力學③流態化的界面動力學及相間熱質傳遞煤炭深度脫硫降灰的非均衡過程及其動力學微細礦物分離的尺度效應多流態梯級強化的非均衡分離過程③煤炭深度脫硫降灰的界面調控及分選動力學提質煤的高效燃燒氣化機理及污染控制提質煤非均相高溫高壓燃燒氣化反應動力學提質煤熱轉化過程中污染物生成、遷移及阻滯機制③提質煤的高溫熔融物相生成及黏溫特性調控二、預期目標總體研究目標：針對我國低品質煤大規模開發的重大需求，研究低品質煤中礦物、硫、水等雜質的賦存化學與物理，揭示雜質組分脫除的化學物理響應和界面調控規律，構建以穩定流態化與非均衡分離過程為特征的低品質煤大規模提質的工程基礎，提出提質煤的燃燒等高效利用原理與方法，形成我國低品質煤提質利用的理論體系與技術創新。項目的具體目標：（1）通過低品質煤中礦物、硫和水等雜質的賦存形態、化學結構及與煤有機質本體的分子間鍵合和物理作用機制研究，建立低品質煤的雜質賦存化學與物理理論。（2）建立多元多組分復雜低品質煤的計算模擬研究平臺，從分子層次揭示煤炭脫水的本征能量及硫的脫除能量作用機制、界面調控理論，提出煤炭脫水的技術原型，實現煤中水和硫脫除的理論突破和方法創新。（3）揭示大型濃相分選流態化的穩定和流態化高效能量傳遞的機制，建立高灰煤干法脫灰以及褐煤脫灰脫水協同機制，為高灰高水煤炭的干法流態化高效提質提供理論基礎和技術支持。（4）建立基于微細礦物可浮性，與非線性物性相匹配的多流態梯級強化非均衡分離過程，提出微細粒煤的高效分離方法，實現稀缺煤資源二次開發的技術突破。建立國際一流的低品質煤提質利用研究平臺，在煤的雜質賦存、提質分離的界面調控及動力機制、流態化基礎與過程動力學等方面實現理論創新；實現煤炭高效脫灰脫水、微波脫硫、稀缺煤資源二次開發等關鍵技術突破，取得一批具有國際影響的研究成果。可為保有儲量約2300億噸的褐煤和高灰煤開發奠定科學基礎，可每年多回收稀缺煉焦精煤約3000萬噸（相當于少用稀缺煤資源6000萬噸）。凝聚并培養本領域的優秀專家，形成國內一流的低品質煤提質利用的高水平研究團隊，培養碩士、博士共150名；在國內外學術期刊發表論文300篇，出版專著3～5部，申報專利20項。三、研究方案1．研究思路本項目以低品質煤提質的物質認知—能量機制—過程強化—提質利用為研究思路，綜合運用礦物加工學、煤化學、量子化學、界面化學、流體力學和反應動力學等多學科基礎理論，采用理論分析、實驗研究、數值模擬等多種方法，開展系統的理論和方法研究，構建適合我國低品質煤大規模提質利用的理論體系?？傮w研究思路如圖1所示。2．技術路線總體技術路線如圖2所示。如圖2所示，本項目以學術思想為指導，基于對低品質煤的雜質賦存及作用的認識，預測煤炭脫水與煤有機硫脫除的技術途徑，提出以工程應用為背景的干法流態化分離提質和多流態非均衡過程強化分離提質的方法，以期達到低品質煤大規模提質的目的。具體技術途徑如下：（1）采用原位分析、萃取與反萃取等分離方法，運用光學/電子顯微鏡、光譜、能譜、熱重、孔隙分析等表征手段，解析低品質煤中礦物、硫、水等雜質賦存形態及其化學和物理作用機制，并通過分子設計、量子/分子力學計算模擬，構建典型低品質煤結構模型簇。（2）采用量子化學/分子力學方法，計算煤炭脫水的本征能量，結合實驗研究，提出煤炭脫水的技術原型。通過對微波能量調控與匹配的研究，探索低品質煤有機硫脫除的技術途徑。（3）采用實驗研究、數值模擬、工程基礎試驗等方法，研究流態化的穩定性與高效能量傳遞機制、非均衡過程梯級強化與分選動力學，構建低品質煤的干法流態化高效提質、非均衡過程強化分選的理論基礎。（4）綜合運用多組分在線分析、燃燒過程激光診斷等方法，研究提質煤的燃燒氣化反應機理、雜質遷移脫除及灰熔融性調控規律，提出提質煤的燃燒等高效利用原理與方法。3．創新點與特色（1）創新點①創立低品質煤的雜質賦存化學與物理理論突破傳統煤化學研究框架，揭示低品質煤中礦物、硫和水等雜質的賦存規律，解析煤中雜質與煤有機質本體結構間的作用，豐富和完善煤化學理論體系。②提出基于量子化學/分子力學分析的低品質煤提質的技術原型從分子層次揭示褐煤脫水、含硫結構脫除的本征能量；闡明典型脫水方法的熱力學特征和微波脫硫的機理，構建煤炭脫水和微波脫硫的理論體系和技術原型。構建大規模分選流態化穩定、高效傳遞及協同分離機制揭示大型濃相分選流態化的穩定和高效能量傳遞的機制，提出高灰（硫）煤干法脫灰（硫）以及褐煤脫灰脫水協同機制，實現傳統流態化基礎理論的突破。建立基于多流態梯級強化的微細粒分選方法以粗粒煤脫硫降灰為基礎，根據礦物可浮性的非線性過程特征，建立與物性匹配的多流態梯級強化非均衡過程，實現低品質煤深度脫硫降灰。實現煤炭高效脫灰脫水、微波脫硫和稀缺煤炭資源二次開發的方法創新和技術突破。（2）特色①針對我國低品質煤特性的大規模提質開發項目針對我國煤炭資源復雜特性，從低品質煤雜質的本質特性入手，進行煤的賦存化學與物理研究，首次將研究視角直接面對煤中雜質，全面地揭示煤中礦物、硫和水等雜質賦存的內在本質及相互聯系，拓展以煤本體結構為背景的傳統煤化學體系。其次，項目針對我國低品質煤炭大規模開發的迫切需求，以實現大規模開發為研究目標，進行系統的提質理論和方法創新研究。如干法流態化研究針對我國西部缺水及煤炭開發西移的特點，將為我國西部低品質煤的干法提質提供理論基礎。②以雜質賦存尺度為主線，綜合應用多種研究手段構建以雜質賦存（顆粒）尺度為主線的低品質脫除方法與技術路線：首先是針對粗顆粒或原煤的煤炭提質，包括高灰（硫）煤脫硫降灰以及煤炭的脫灰脫水；然后是針對細粒煤的煤炭深度脫硫降灰；最后是采用微波方法脫除煤本體結構中的有機硫，實現低品質煤的潔凈化。整個研究綜合應用了多種方法與手段，如量子/分子力學分析、微波電磁場、分選流態化、非均衡分離過程強化等?；A研究與工程技術的緊密結合具體表現為：分選流態化高效提質將應用于煤炭脫灰脫水與高灰（硫）煤的分離提質相結合；多流態的非均衡分離過程強化將支撐微細粒分選，并與稀缺煤二次開發結合；微波脫硫將主要針對煤中有機硫脫除，致力于解決高硫煤脫灰后形成的粗精煤，把它由燃料變成煉焦用煤。④低品質煤的提質與利用研究交叉優化低品質煤提質后雜質賦存和物理化學特性發生了顯著變化，提質過程對提質煤的利用必然產生影響。如煤孔隙結構、含氧官能團、礦物成分、表面性質變化對其高效燃燒氣化反應特性產生重大影響，雜質元素在燃燒氣化過程中的遷移規律也發生變化。因此，本項目通過提質煤的利用研究來反饋指導提質研究，優化提質參數及指標，實現提質與利用研究的交叉優化。4．可行性分析項目實現重大突破的關鍵點是：認知低品質煤的雜質賦存及化學物理作用，構建高效提質的技術原型，創立大規模提質工程基礎。其可行性分析如下：（1）低品質煤的雜質賦存的認知實現低品質煤大規模提質的科學基礎在于對煤的雜質賦存形態，雜質與本體有機質間的化學與物理作用的深入認知，而其關鍵在于研究思路和技術手段的創新。對典型的低品質煤樣分三個層次進行解析，首先采用原位分析，對低品質煤的雜質賦存總貌初步認識；然后進行分離表征；最后通過分子設計、量子/分子力學模擬計算，硫、解析煤中礦物、水等雜質賦存形態及其化學與物理作用機制。對于高灰煤主要采取原位分析。利用光學/電子顯微鏡、X射線衍射儀、元素分析、能譜等手段表征煤樣的煤巖組分，礦物組成、元素組成、雜質賦存形貌等；采用溫和萃取與反萃取方法，將復雜微細礦物與煤本體分離，對于被有機質包裹的礦物采取低溫灰化方法，釋放其中礦物質并進行表征。將各步結果對比分析，獲得礦物的賦存認知。綜合利用多種手段對高硫煤進行分析表征。首先采用測硫儀、X射線原子吸收光譜儀、X射線光電子能譜儀等，分析和表征原煤中硫的分布及結構；采用分級分次萃取方法，根據相似相容的原理，時序性溶解煤中組分，得到按分子大小和性能分離的組分簇，分別對其進行光譜/色譜/質譜/能譜解析；對于難溶解的殘渣采用浮沉實驗，對有機質催化熱解，對解聚產物再進行光譜/色譜/質譜/能譜解析；對比分析各步驟結果，采用分子設計和量子/分子力學方法，構建含硫結構模型，計算含硫結構與有機質結合的弱鍵結構和能量。對于高含水煤，首先利用光學/電子顯微鏡、能譜、熱重、孔隙分析等手段表征含水構造的形貌特征、水的釋放規律等；然后定性定量分析褐煤中腐植酸和含氧官能團，研究其中水的賦存方式；采用萃取分離，分別對各級萃取物進行水分分離，獲得作用力不同的各類水分子的近似質量；最后通過分子設計、量子/分子力學模擬計算，將研究結果進行比對和詳盡分析，解析煤中水分賦存形態及化學和物理作用機制。（2）高效提質技術原型的構建煤炭脫水、有機硫脫除的關鍵是高效能量的輸入，而其本征能量能夠通過量子/分子力學分析得到。基于課題1的研究結果，采用量子化學/分子力學方法對低品質煤的雜質賦存結構進行模擬，建立典型結構單元模型簇。采用組合量子力學和分子力學方法，獲取雜質脫除的熱力學判據和本征能量。運用分子動力學模擬MD，研究外界條件（熱效應、機械效應、電磁效應、溶劑效應）對煤結構與界面的影響，探索煤中含氧官能團與水分子之間、水－溶劑分子等相互作用的物理化學性質，脫水過程的可能通道與機理。根據煤炭脫水的本征能量，研究典型脫水方法的熱力學特征；探討脫水煤組成、結構與界面特性。利用實驗結果不斷修正和完善本征能量的計算模型，從而得到煤炭脫水的技術原型。對于脫除有機硫的過程，利用量子化學方法，通過煤中含硫化學結構相關計算預測弱鍵位置和脫硫的可能性，研究含硫結構與外界能量場的響應，脫硫過程的可能途徑與機理。為微波定向脫硫提供理論依據。（3）大規模提質利用工程基礎的創立微波對煤本體的穿透性和對具有高介電損耗的含硫結構的靶向吸收效應是實現微波脫硫的基礎。目前開展的煉焦煤微波脫硫試驗已取得初步脫硫效果。本項目的基礎研究將不僅提供理論支持，而且也為完善工藝試驗創造條件。低品質煤大規模干法脫灰脫水的關鍵是解決大型濃相分選流化床的穩定和流態化高效能量傳遞問題，煤炭深度脫硫降灰的關鍵是解決微細顆粒條件下多流態非均衡分離過程強化問題。綜合運用現代分析測試手段、實驗研究和數值模擬，研究寬尺度氣固流態化系統的形成及控制機制、非均衡分離過程動力學、能量作用機制及礦化反應規律等，建立分選流態化的穩定機制、多流態非均衡分離過程強化的理論體系，推動低品質煤大規模提質技術的發展。綜上所述，本項目立足國家重大需求，總體思路合理，研究方法正確，技術路線可行，實驗手段先進，工程應用背景強。研究隊伍聚集了國內煤炭加工利用相關領域的優勢力量，體現了能源與化工等相關學科的交叉融合。相關單位與個人承擔過多項國家重點與重大項目，能準確把握技術發展趨勢與關鍵科學問題所在，為本項目研究提供了保障。5．課題設置課題1:低品質煤的礦物、硫、水等雜質的賦存化學與物理研究目標：通過低品質煤中礦物、硫和水等雜質的賦存形態、結構特征、與煤有機質的鍵合作用和非鍵作用機制研究，建立低品質煤的雜質賦存化學與物理，為低品質煤大規模提質利用的研究提供認知基礎。研究內容：①低品質煤中微細礦物組成、賦存及其分配遷移模型研究微細礦物的地質成因以及在煤層中的分布特征。探討微細礦物類型、組成、粒度分布、物理化學特性及其與有機質的結構關系等賦存特征，建立主要微細礦物、浸染黃鐵礦等在煤炭深度脫硫降灰過程中的分配及遷移模型。②低品質煤的有機含硫結構及其典型賦存特性針對高硫煤和高硫稀缺煉焦煤，研究其有機含硫組分的化學組成、結構、與煤有機質本體的化學物理作用與機制；通過量子化學分析不同含硫組分在能量場下斷鍵規律，模擬形成的含硫結構并建立典型結構模型。③褐煤含水結構及水的賦存化學與物理研究褐煤中有機含氧官能團、孔隙結構的賦存特征及其持水機理；研究褐煤中腐植酸及所含礦物離子的膠體特性及其影響；研究水在多維空間