水热提质低阶煤物化结构定向调控及高炉富氧喷吹的基础研究

Pulverized coal Injection is an important way to reduce the cost of hot metal and the discharge of pollutant. However, high-quality anthracite coal reserves available for blast furnace(BF) injection is limited. If the upgraded low-rank coal can be injected into BF, it will be playing an important role in enhancing the competitiveness of the blast furnace ironmaking process. In view of hydrothermal upgrading technology can efficiently remove the impurities of low-rank coal and upgrade the coal rank. This project uses common domestic low-rank coal as the materials to research on the physicochemical property of hydrothermal upgrading low-rank coal. The main contents include:: (1) Research on the occurrence patterns of impurities and physical and chemical effects in the low-rank coal will be studied to reveal the desulfurization and dehydration intrinsic energy characteristics of low-rank coal; (2) The experimental study on the evolution of physicochemical properties of low-rank coal in the hydrothermal upgrading process and blast furnace injection process performance relationship will be explored, by which the directional regulation mechanism of hydrothermal upgrading coal and the migration distribution law of harmful elements will be obtained. (3) The combustion characteristics of hydrothermal upgrading coal under the condition of blast furnace oxygen-enriched injection will be investigated, and the porous gas-solid combustion dynamics model will be established to solve the key dynamics parameters of upgraded low-rank coal in oxygen-enriched combustion process. Based on the above, the key technology of low-rank coal for BF injection can be obtained, which will be provide a theoretical basis for efficient utilization of low-rank coal resources in BF ironmaking process.

高炉喷煤技术是降低铁水成本，减少炼铁系统污染物排放的重要措施，然而可用于喷吹的优质无烟煤资源储量有限，将储量丰富的低阶煤资源提质后进行喷吹对提升高炉炼铁工艺竞争力具有重要作用。鉴于水热提质技术对低阶煤中杂质高效脱除及煤阶的提升能力，本项目以国内常见低阶煤为对象，展开水热提质低阶煤物化结构定向调控及高炉富氧喷吹研究。具体包括：通过实验表征和分子模拟相结合手段，研究低阶煤中杂质的赋存形态及物理化学作用，揭示低阶煤脱硫、脱水的本征能量特征；实验研究水热提质过程中低阶煤物化特性演变规律及高炉喷吹工艺性能关系，掌握水热提质煤质量定向调控机制和有害元素的迁移分布规律；进行水热提质煤高炉富氧喷吹燃烧特性研究，明确提质煤燃烧过程物相结构演变规律，同时建立多孔气固燃烧动力学模型，求解提质煤富氧燃烧关键动力学参数。通过以上研究，形成提质煤高炉喷吹高效燃烧关键技术，为低阶煤在高炉炼铁工艺高效应用提供理论指导。

高炉喷煤技术是降低铁水成本，减少炼铁系统污染物排放的重要措施，然而可用于高炉喷吹的优质无烟煤资源储量有限，将储量丰富的低阶煤资源提质后进行高炉喷吹对提升高炉炼铁工艺竞争力具有重要作用。鉴于水热提质技术对低阶煤中杂质高效脱除及煤阶的提升能力，本项目以国内常见低阶烟煤为研究对象，展开水热提质低阶煤物化结构定向调控及高炉富氧喷吹研究工作。.（1）水热提质通过脱挥发分和脱灰分的方式改善了煤的整体品质。随着水热温度的提高，煤中氧和硫含量降低，煤中的杂质元素以气体或者离子的形式脱除。产物气体中硫化氢，羰基硫，甲/乙硫醇等的含量显著增加，煤中的不稳定有机硫主要以气体形式从煤中除去。.（2）理化特性分析表明，经过水热提质之后的表面微观形貌发生了较大改变。提质煤氮气吸脱附量均有所降低，在高温高压作用下煤的比表面积和孔容降低，而孔径分布则呈现相反的规律。提质后煤的脂肪族结构数量减少，芳香化程度加深，并且煤的碳有序化程度加强。.（3）构建了低阶煤分子模型并进行量子化学计算，考察了Laplacian键级和Mayer键级数值变化，键解离能变化，轨道波函数分析，静电势分布和“煤-水”分子模型的弱相互作用。发现Laplacian键级和键解离能之间的对应关系更强。通过占据数扰动的Mayer键级分析揭示了煤分子化学键的组成成分。分子表面静电势分布表明小于-20kcal/mol的区间内分布大量的含氧官能团。煤的大分子骨架以及侧链结构上的含氧官能团极易和水分子之间产生弱相互作用。其作用类型包括强氢键，弱氢键和范德华作用。.（4）通过不同水热温度处理后的低阶煤的燃烧特性参数及动力学模型计算发现，随着水热温度的升高，煤的失重曲线先向低温区移动再向高温区移动，提质煤的开始着火温度先是略有降低再逐渐升高，燃尽温度呈现同样趋势。250℃时的最大反应速率数值最小，其余水热处理温度下其值均略高于原样，340℃时最大。原样和250℃的着火特性较为接近。FWO方法的活化能计算结果均高于KAS方法。在转化率为0~0.3之间随着反应的进行，活化能逐渐升高。在转化率达到0.2时活化能就已经达到了最大值，KAS最大值为179.1kJ/mol，FWO最大值为190.2kJ/mol，当转化率在0.2到0.85之间时活化能逐渐减少，在反应的最后阶段，活化能略有升高，这是由于煤灰的影响造成。

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