低阶煤显微组分摩擦荷电机理及电选分离研究

发布时间：2020-10-31 00:12

　　 当前,煤直接液化技术因其可以缓解我国石油资源紧缺及环境污染的潜力而备受关注。煤液化效果优劣的关键在于原料煤中活性显微组分镜质组和惰性显微组分惰质组的分布比例,摩擦电选技术是有效的显微组分干法分选技术。本文以神华集团煤液化示范低阶煤种为研究对象,提取原煤中高纯度镜质组和惰质组,并应用现代精密表征手段获取显微组分微观表面信息,探究两者摩擦荷电差异机理;基于显微组分电学参量特性分析其对镜、惰组分电选过程影响机制;考察显微组分摩擦荷电特性,筛选最优起电器内壁摩擦介质;应用摩擦电选进行了低阶煤镜质组与惰质组分离富集试验,结合前期机理分析并优化了分选过程。基于高纯度显微组分微观表面信息的表征,揭示了两者荷电差异机理。原子力显微镜(AFM)探测出惰质组的表面电势高出镜质组0.42 V,表明具有高表面电势值的惰质组在与镜质组的摩擦电选过程更易带负电荷,而镜质组表面易带正电荷。傅里叶转换红外光谱(FTIR)定量分析中惰质组高负电性基团含量以及X射线衍射图谱(XRD)结构参数检测中惰质组高石墨化程度,紧密的内部结构以及强束缚电子能力都佐证了显微组分表面电势的测量结果。红外及X射线光电子能谱(XPS)定量分析显示两组分的疏水官能团含量基本持平,但惰质组具有高亲水基团含量,表明惰质组应更易受到环境中相对湿度的影响。通过显微组分电学参量(电阻率和相对介电常数)特性研究,分析其对电选过程的影响机制并预测了镜质组和惰质组摩擦电选行为。基于两显微组分皆属于绝缘体范畴,二者电阻率均随着温度的上升而下降,随着相对湿度的增加而降低,且相对湿度对其影响强度更高。200目样品中,各环境设定值下的惰质组电阻率始终高于镜质组(0.04 GΩ·m~0.64 GΩ·m)。据此预测两者在获取相反极性的表面电荷后到达高压静电场前的运输阶段中,镜质组更易失去摩擦所得的正电荷,而惰质组能较好地保持表面负电荷。高温低湿的环境可以将显微组分电阻率仍然保持在较高水平条件下,进一步有效缩小两组分的电阻率差值,提升活性组分镜质组保持电荷的能力。两显微组分相对介电常数皆随着环境温度的升高而下降,随着相对湿度的增加而上升,且更易受到相对湿度影响。所有温度和相对湿度测试值下,200目样品中惰质组的相对介电常数值始终高于镜质组(0.21~0.99)。据此预测两者在结束运输过程后进入高压电场分选阶段中,惰质组携带负电荷移向正极板的路径受自身高极化性质的干扰程度大,而镜质组的分选轨迹则相对稳定。高温低湿的环境在降低显微组分相对介电常数的同时扩大了两者的相对介电常数差值,进一步降低了活性组分镜质组的极化性能。由于相对湿度对于显微组分两电学参量的影响大于温度,因此在运输和电场分选阶段皆需着重控制相对湿度。考察了显微组分与八种摩擦介质的荷电特性,筛选出最优起电器摩擦介质并研究了显微组分相互摩擦荷电行为。显微组分与待选介质的摩擦荷质比绝对值均随着温度的上升而增加,随着相对湿度的上升而降低。摩擦介质的选择顺序如下:聚酰胺(PA)铜铝不锈钢(聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)以及硅胶)。固定镜质组为摩擦介质,测试惰质组与其摩擦后表面荷电情况。各种环境条件下,惰质组表面均带负电且摩擦起电效果良好,两组分相互摩擦特性及规律同显微组分与待选介质测试结果一致。探明了低阶煤中显微组分摩擦电选分离富集行为,并通过两段分选系统的建立,强化了显微组分富集效果。镜质组易带正电,在负极产品中富集,惰质组易于带负电,在正极产品中富集。显微组分的分离富集与低阶煤的降灰过程同步。产品灰分降低,镜质组含量和回收率随之升高;产品灰分上升,则惰质组含量和回收率随之增加。同一分选条件下,惰质组回收率恒高于镜质组。两组分的回收率均随着温度的增加而上升,随相对湿度的升高而降低,且提升温度对显微组分分离富集效果优化程度高于降低相对湿度。三种系统操作条件对显微组分摩擦电选的影响顺序如下:分选电压入料速度运输风量。相比环境和系统操作条件,增加二段分选对于提升显微组分电选分离富集效果的作用最佳(镜质组和惰质组含量分别提高13.99%和12.88%),且一段分选后,负极再分选的二段产品和正极再分选的二段产品可以分别作为镜质组富集物和惰质组富集物。论文共包含图42幅,表22个,参考文献166篇。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD94;TD923
【部分图文】：

主要工艺流程步骤如图1-1 所示。目前比较成熟的直接液化工艺有溶剂精炼煤法（Solvent Refining of Coal）简称SRC 法，德国矿业技术有限公司 DMT研发的直接液化新工艺 IGOR（IntegratedGross Oil Refining）法，美国戴诺莱伦公司开发的 H-Coal（氢-煤）法、HTI 工艺和埃克森研究公司研发的埃克森供氢溶剂 EDS（Exxon Doner Solvent）法。我国神华集团以各国煤直接液化工艺技术研究为基础，对 HTI 工艺进行了优化研发[39]，提出了新的煤直接液化方案，并自主进行了百万吨级煤直接液化示范项目的建设与运行，成为世界煤直接液化产业化领跑者[11]。神华集团煤直接液化工艺流程[3]如图 1-2 所示。煤直接液化技术具有液化效率和油收率高的优点。1吨优质液化原煤可产0.5

博士学位论文油，按照成品油产量计算，则 3～4 吨优质原煤可产出 1 吨成品油[36,38]。同化成品油种类包括汽油、柴油等，产品选择性高。但是直接液化工艺要求的入料煤，即使是适宜直接液化的低阶煤如褐煤、长焰煤等煤中也需要经性、H/C 原子比、灰分等条件的筛选才可以作为直接液化原料煤[36]。

图 1-2 神华煤直接液化工艺流程Figure 1-2 Coal direct liquefaction process of Shenhua Group Corp.2. 煤间接液化技术在一定的温度和压力条件下，先将煤炭气化为混合气体（CO 和 H2），再通过催化作用将混合气体转化为烃类物质，最后利用精馏得到液体油产物和其他产品的工艺流程称为煤的间接液化。煤间接液化方法是由德国化学家 F. Fischer 和H. Tropsch 两人合力首创，所以也称作 F-T 费托合成法[3]。典型的煤间接液化工艺流程如图 1-3 所示[38]。当前比较成熟的煤间接液化工艺有南非的 SASOL 工艺（改进后的 F-T 法）以及美国 Mobil 公司开发的 ZSM-5 沸石分子筛催化剂和Mobil 工艺—此工艺是利用煤炭气化物制作甲醇再催化生成高辛烷值汽油。目前，SASOL 和 Mobil 工艺都得到了工业应用。
【参考文献】

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本文编号：2863194