气化床高效气化水煤醇浆的制备及特性外文翻译资料

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气化床高效气化水煤醇浆的制备及特性

为了高效地对水煤浆气化，制备含碳高和低黏度的水煤浆就很重要，这可以提高热值，雾化水煤浆。然而，难点就在于含碳量和黏度之间的权衡。在我们的研究报告中，为了使制得的水煤浆具有高热值，低黏度的特性。我们使用了多种醇添加剂，例如甲醇、乙醇、2-丙醇、正戊醇、正己醇、正辛醇含醇量在1-10%（质量分数）之间。在加入亲水性醇如甲醇、乙醇、2-丙醇的情况下，当含醇量增加到10%(质量分数）时，液体黏度从2100厘泊降到了1089厘泊，热值从3613千卡/千克增加到4412千卡/千克；在加入亲脂性醇如正戊醇、正己醇、正辛醇的情况下，当含醇量增加时，液体黏度有很大的增加，以至于超过了我们黏度计的测量上限（10000厘泊），醇的碳链越长，黏度增加的越大。从加入不同醇添加剂，液体黏度的变化可以看出，加入醇后的黏度变化与神华煤的亲水性有很大的关系。溶胀测试，X射线能量色散谱（EDS），X射线映射，傅里叶红外光谱仪（FTIR），神华煤灰分分析，都表现出神华煤具有一定的亲水性。得出结论，神华煤含有大量的亲水基团——从煤表面均匀的二氧化硅和氧化铝得到的羟基。另外，制备后的水煤浆中，有相当多的水存在于煤基质中。溶胀后的煤对比溶胀前的煤有更好的亲水性。相应地，当甲醇、乙醇、2-丙醇等亲水性醇加入到先前预备好的水煤浆中，含碳量是下降的，由于亲水醇均匀地混合在煤颗粒中，，所以液体黏度也有所下降。相比较而言，当正戊醇、正己醇、正辛醇等疏水性醇加入到水煤浆时，有高亲水性的溶胀煤颗粒就会凝聚成块并且会与油相分离，这些凝块和相分离出的煤颗粒就会导致液体黏度的突然增大。本实验中使用的亲水醇，乙醇是醇添加剂最好的选择，因为气化水煤浆主要的缺点是二氧化碳挥发夹带出流动的水煤浆器，为了更好的处理这一缺点，可以通过使用碳中和生物质产生的原有生物乙醇。

1. 介绍

虽然近年来由于全球经济增长，能量需求急剧增加，但大多数能量由不可再生的化石燃料提供。尽管可再生能源供应迅速增加，但化石燃料预计仍将在21世纪显著地用于世界能源供应。因此，有效利用剩余化石燃料的技术与可再生能源技术一起受到了的广泛关注。从可持续能源需求的角度来看，由于煤比石油和天然气有更高的储量/产量（R / P）比率，是一种非常重要的化石燃料。当低等级煤如次烟煤和褐煤随着相关清洁煤技术的发展而被有效应用，煤的R / P比预计将进一步扩大。近来，为了有效利用煤，整体气化联合循环（IGCC），各种化学品，液体燃料生产和多联产系统正在受到相当的重视，煤气化是这种能量生产系统中的基本技术。

煤气化是众所周知的方法，并且存在三种基本的反应器类型，例如固定床，流化床和夹带流气化器。特别地，与其它气化器类型相比，夹带流气化器具有几个优点，例如每个气化器体积的高产量，煤类型的灵活性，以及具有高碳转化率的简单机械设计。此外，如果使用煤-水浆料（CWS）作为夹带流煤气化的原料，用于干燥水煤气的复杂煤供应装置是不需要的。从这些优点，可以认为CWS的夹带流气化是合成气生产的有前途的方法之一。

对于有效的水煤浆气化，重要的是制备具有较高碳含量和较低黏度的水煤浆，这有助于改进水煤浆的热值和水煤浆的良好雾化。然而，水煤浆中的碳含量与水煤浆黏度之间的矛盾使得难以生产具有高碳含量和低粘度的水煤浆。此外，通常认为水煤浆黏度小于约2000厘泊是好的，水煤浆具有可雾化的黏度水平，并且在可良好雾化的黏度水平下的煤含量很大程度上取决于煤品质和类型。换句话说，为了制备具有较高碳含量和较低黏度的水煤浆，需要重复努力以选择合适的煤。因此，煤型柔性制备方法。应用水煤浆提高夹带气流水煤浆气化作为洁净煤技术的竞争力。此外，气化过程中的显著缺点是高二氧化碳排放等等。缺点应通过使用适当的方法如碳捕获和存储（CCS）技术来克服。在这里，我们报告各种醇添加剂的使用，并观察粘度行为的变化，更高的热值和更低的黏度的水煤浆制备各种煤-水-醇（CWAS）的热值。一些研究组报告了在各种溶剂如醇，吡啶及其衍生物中燃烧燃料或煤提取的CWAS和聚结器（CAS）的制备。在这项研究中，我们专注于作为气化燃料的CWAS的制备。此外，我们提出了通过添加各种醇提高黏度的机制，并提出最有希望的醇作为用于合成具有高热值和低黏度的水煤浆的添加剂。

1. 实验部分

2.1. 水煤浆制备和黏度测量：本研究中使用的煤是来自中国的沥青煤，由神华集团公司提供。进行神华煤的各种分析，结果如表1所示。神华煤原样使用，未作任何化学改性。在水煤浆制备之前，通过使用用于粗碎的颚式破碎机和用于细磨的针式磨机系统将原料神华煤压碎至粒径小于75mu;m。将粉碎的神华煤颗粒加入水中，将煤含量调节至51-59％（质量分数），不含任何种类的离子或非离子表面活性剂。随后，用机械搅拌器剧烈搅拌水煤浆以获得均匀的煤浆料。水煤浆的黏度通过使用黏度计（TVC-5，Toki Sangyo Co.）在20℃和20rpm的转子转速下增加煤含量来测量。

2.2. CWAS制备和黏度测量：通过简单地将不同碳链长度的各种醇加入到预先制备的水煤浆中而制备没有任何表面活性剂的CWAS。醇添加剂包括甲醇，乙醇，2-丙醇，正戊醇，正己醇和正辛醇。将每种醇进入水煤浆后，调节醇含量至1-10％（质量分数），随后用机械搅拌器剧烈搅拌。在CWAS均匀混合后，测量CWAS的黏度，增加醇含量重复测量。

2.3. 在各种溶剂中的溶胀试验：直径0.04〜0.05mu;m的块状神华煤用于神华煤在由水，甲醇，乙醇，2-丙醇，正戊醇，正己醇和正辛醇组成的各种溶剂中的溶胀试验。在溶胀试验前将块煤在110℃下干燥24小时，将干燥的块煤在溶剂/煤重量比为3.5的条件下浸入每种溶剂中70小时。溶胀试验后，从各溶剂中取出溶胀的块状煤，使用干净的纱布除去块状煤表面的水，称量溶胀后煤的重量。为了估算神华煤在各种溶剂中的溶胀程度，由溶胀试验前后煤重量的差值计算出特定的溶胀溶剂重。从神华煤在不同溶剂中的溶胀试验，可以观察到神华煤与各种溶剂的亲和力大小。

2.4. 神华煤的表征：为了表征灰分成分，热值，表面形态和煤表面上的元素，我们进行了扫描电子显微镜（SEM），X射线能量色散谱（EDS）与X射线点映射，工业分析，元素分析和灰分分析。通过使用HITACHI S-4700仪器获取神华煤的SEM图像，并在15kV下进行EDS分析。进行Si，Al，C和O的X射线测绘以研究煤表面上的元素分布。通过分别使用TGA-701热重量分析仪（LECO Co.，St.Joseph，MI，USA）和Parr 6320EF热量计（Parr Co.，Moline，IL，USA）进行工业分析和热值分析。通过采用TruSpec元素分析仪和SC-432DR硫分析仪（LECO）进行神华煤的元素分析。通过使用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）获得神华煤的灰分含量。

1. 结果与讨论

水煤浆的黏度和煤含量是夹带流煤气化性能的关键因素，因为黏度与水煤浆的雾化密切相关，较高的煤含量会使水煤浆具有较高热值，因为蒸发的热量损失会最小化。然而，黏度和煤含量显示出权衡关系，常常使用各种两亲性表面活性剂来克服权衡关系。因此，为了优化煤颗粒反应性和气化热效率，非常重要的是仔细检查和了解在煤含量增加的条件下，黏度发生的变化。

在这项研究中，没有任何表面活性剂制备的水煤浆被用于所有实验中煤颗粒和溶剂之间的相互作用的研究。图1显示出水煤浆的黏度随煤含量增加的变化。 随着水煤浆中煤含量从51％增加到59％，水煤浆黏度从1090厘泊增加到3330厘泊。 据分析，煤含量的少量增加导致水煤浆黏度的快速上升。图1中的虚线表示水煤浆的良好可雾化的黏度水平，其通常为约2000厘泊。高于良好可雾化黏度的2000厘泊时，由于水煤浆的不良雾化，煤颗粒聚集使得煤反应性显著降低。

3.1. CWS和CWAS的粘度和热值：如图1所示，在神华煤的情况下，在2000厘泊的临界碳含量为约54.5％（质量分数），这可能给出太低的热值以实现良好的气化性能。然而，提高煤含量来增加水煤浆的热值的增加，却使得水煤浆黏度的增加，从而导致水煤浆的雾化性能下降。因此，我们使用醇添加剂在增强水煤浆热值的同时，降低水煤浆的黏度。

图2显示了CWAS的黏度和高热值随着醇添加剂的浓度增加的变化，其中醇添加剂为甲醇，乙醇和2-丙醇。 随着CWAS中的醇含量增加至10％（质量分数），液体黏度从2100厘泊降低至1089厘泊，并且热值从3613千卡/千克升高至4412千卡/千克。 与甲醇和2-丙醇相比，向水煤浆中添加乙醇导致液体黏度降低的更多。

图3显示了随着正戊醇，正己醇和正辛醇的浓度增加，CWAS的黏度和高热值的变化。当正戊醇，正己醇和正辛醇的浓度增加时 ，CWAS的热值增加到4583千卡/千克，这高于具有短碳链的醇如甲醇，乙醇和2-丙醇。然而，与甲醇，乙醇和2-丙醇相反，浆料黏度显着增加直到黏度计的测量极限（10000cP）。具有较长碳链的醇更容易增加水煤浆的黏度。

从图2和图3可以注意到，加入具有相对亲水性的甲醇，乙醇和2-丙醇导致液体黏度降低，而加入相对疏水的正戊醇，正己醇和正辛醇 因此可以推测，添加醇的黏度变化可能与神华煤的亲水性和疏水性相关。例如，如果神华煤相对亲水，则添加亲水性醇如甲醇和乙醇将由于均匀混合的稀释效应而降低水煤浆黏度，而添加疏水性醇如正己醇和正辛醇将增加液体黏度，因为煤颗粒在油相中聚集并产生相分离。

3.2. 神华煤的亲水性和亲脂性的研究：为了研究神华煤的亲水性和亲脂性，进行了神华煤在各种醇中的溶胀试验。图4显示了神华煤的各种溶剂的特定溶胀重量。 与具有较长碳链的其它醇相比，水，甲醇，乙醇和2-丙醇具有相对较高的溶胀能力。正戊醇，正己醇和正辛醇的特定溶胀重量分别为0.15,0.09和0.07克/ 克煤，并且特定的溶胀溶剂重量随着醇的碳链长度的增加而急剧减少。换句话说，亲水性醇显示出较高的特定溶胀重量，亲脂性醇具有低得多的溶胀能力，这表明神华煤的亲水性质比其亲脂性更强或相当。

通常，煤具有化学上不均匀和两亲性的表面，其由亲水和亲脂基团组成。然而，煤表面上的基团的类型和分布取决于煤的类型。也就是说，煤表面上亲水基团的相分离导致煤的亲水性降低，而那些基团的良好分散有助于煤的亲水性的改善。为了研究神华煤炭表面亲水基团的分布情况，对神华煤炭进行了EDS和X射线映射分析。图5显示了神华煤的SEM图像和EDS图。神华煤具有相对平滑的表面，几乎没有大空隙，对于神华煤的选定区域的EDS结果证明了煤表面存在无机化合物。Si，Al和O是主要成分，存在诸如K，Fe，Na，Mg和Ti的次要成分，这与表1所示的灰分分析结果一致。然而，对于元素Ca，EDS分析给出了与灰分分析不同的结果。即，灰分分析显示CaO含量为24.0％（质量分数），而在EDS分析中未检测到Ca原子。这是因为EDS分析是在神华煤的选定区域以微米尺度进行的。

从图5和表1的结果可以确定，在神华煤的表面上，具有亲水性羟基的二氧化硅和氧化铝是主要的无机化合物。决定煤表面亲水性的更重要因素是这种亲水性化合物的分散。为了研究氧化铝和二氧化硅在煤表面上的分布，进行X射线映射分析，结果示于图6中。图6b中所示的白点，c，e分别对应于分散在煤表面上的Si，Al和O原子。Si，Al和O的白点的相对均匀分布表明亲水性二氧化硅和氧化铝充分分散在神华煤表面，导致神华煤的亲水性增加。此外，Si，Al和C的组合图像清楚地支持这样的结论：二氧化硅和氧化铝均匀分布在固定碳的基质内，并且神华煤的亲水性质源于这种亲水性化合物良好的分散。

为了进一步研究神华煤的亲水性，对神华煤进行了FTIR分析（图7）。在3200-3600cm^-1范围内的宽带归因于有氢键的OH基团的伸缩振动。在3100和3000cm ^-1之间的峰与芳族CH伸缩振动相关，而在2700-3000cm ^-1范围内的带与脂肪族CH伸缩振动相关。在1605,1506和1420cm ^-1处的谱带对应于芳族C＝C。在1260,1170和1094cm ^-1处的峰归属于芳基醚，酚和仲醇中的C--O的伸缩振动，1033cm ^-1带归因于烷基醚或Si-O-Si键。此外，900和700cm ^-1之间的峰对应于芳族CH面外弯曲模式。FTIR结果还表明，神华煤由大量亲水性羟基以及芳香族和脂肪族化合物组成。

3.3. 讨论了通过醇添加的水煤浆的黏度变化：水煤浆黏度的变化行为可以通过煤提取物和添加醇的稀释效应来解释。换句话说，从煤浆中提取出挥发性物质，由于这些物质的凝胶化，通常会提高煤浆的黏度。为了观察煤提取物对液体黏度的影响，在各种溶剂中溶胀试验前后，对神华煤作近似分析，结果如表2所示。根据表2，对于所有溶剂，在溶胀试验期间从神华煤中提取挥发性物质量极少，并且在溶胀试验之后的每种醇的气相色谱-质谱（GC-MS）结果还表明，对于每种溶剂未检测到煤衍生的提取物。这意味着神华煤的模型更接近于共价网络结构，而不是非共价网络模型。

煤具有两种网络结构模型，即共价和非共价网络模型。确定煤网络结构模型的常用方法之一是估算每种煤在某些溶剂中的提取率。在共价网络模型的情况下，煤结构不溶于任何溶剂，除了作为良溶剂的吡啶或一些混合溶剂如二硫化碳和N-甲基-2-吡咯烷酮混合溶液（CS ₂-NMP）。相比之下，在非共价网络模型的情况下，煤由更大量的溶剂可溶和可提取物质组成。因此，在溶胀测试期间没有来自神华煤的提取证实了以下结论：

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