煤气化灰渣规模化分质梯级利用与高效处置技术研究
张吉雄;顾晓薇;周楠;于广锁;郝南京;肖耀猛;煤气化灰渣的规模化利用与处置是我国煤化工行业面临的主要挑战之一,严重制约着煤气化产业与环境保护的协调发展.现有的煤气化灰渣循环掺烧、高值化利用和建材化技术存在成本高、利用规模小等问题,目前的充填技术主要处置煤矸石、粉煤灰等煤基固废材料,缺乏针对煤气化灰渣充填材料的相关实践.本文综述了煤气化灰渣的利用现状与存在的问题,突破了煤气化灰渣规模化利用与处置中的技术瓶颈,系统阐述了煤气化灰渣规模化分质梯级利用技术的内涵及关键科学与技术问题.提出了煤气化灰渣铝硅结构分质活化与协同调控机理、富碳灰渣高温气化反应机理及活性强化机制、低碳灰渣全固废胶凝材料的多动力源活化与水化机理以及采动空间多场耦合时空演化与充填控制机理等理论研究方向.分析了煤气化灰渣自维持脱碳铝硅预富集、煤气化灰渣高值化材料微化工制备、富碳灰渣无辅助燃料常压气化工艺、低碳灰渣全固废胶凝材料低碳制备以及煤基固废全周期立体绿色智能充填等技术的研究难点.论文研究创新了煤气化灰渣的利用模式,构建了煤气化灰渣综合利用与处置技术体系,引领了我国煤化工固废资源化利用的新方向,具有广阔的应用前景,有力推动了煤气化灰渣的循环利用与煤化工产业的绿色发展.
煤气化细渣制备乙二醇/水基CaCO3纳米流体
丁子涵;高春雷;侯竣升;吴俊杰;黄磊;张浩;田佰起;郝南京;煤气化技术是煤炭清洁高效利用的关键技术之一,煤气化细渣作为煤气化过程中产生的典型固体废物,其合理处置被认为是煤化工绿色发展的一大挑战.鉴于当前煤气化细渣的高值化利用策略主要聚焦于残碳及硅、铝成分的回收,而钙组分往往被忽略,未能充分利用其潜在价值.为了实现煤气化渣中钙组分的资源化、高值化利用,以煤气化细渣为钙源,开发了一种利用煤气化细渣合成乙二醇/水基Ca CO3纳米流体的方法.探讨了不同前驱体盐浓度对合成纳米流体的影响,成功制备了粒径可控的Ca CO3纳米流体.利用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶红外光谱仪(FTIR)等设备,对制备的纳米流体中Ca CO3纳米颗粒的形貌和晶体组成进行了表征.此外,基于微通道流动沸腾测试平台,对合成的纳米流体的传热性能进行了评估.试验结果表明:相较于基础流体,合成的乙二醇/水基Ca CO3纳米流体的换热系数(h)最高可提升19.7%,同时使硅片的表面温度降低了17.6℃.这项研究不仅为煤气化细渣的高值化利用开辟了新途径,而且为乙二醇/水基Ca CO3纳米流体在电子器件相变冷却中的应用提供了重要参考和指导.
气流床气化细渣富碳组分成型及其气化反应特性研究
李金鑫;刘斌;吕鹏;白永辉;宋旭东;郭庆华;于广锁;气流床煤气化技术作为煤炭清洁高效利用的核心手段,在大规模利用的同时也造成了大量煤气化细渣的产生,如何将其规模化消纳并实现资源化利用迫在眉睫.本文选取榆林某气流床煤气化细渣分选后的富碳组分为研究对象,首先对其化学成分、粒径分布和孔结构等理化性质进行了分析,之后通过添加复合黏结剂冷压成型,并对成型渣的冷强度、热强度和热稳定性进行了评价,最后利用热重分析仪在CO2气氛下评价了富碳型渣的气化反应特性.结果表明:煤气化细渣分选后的富碳组分具有固定碳含量高和孔隙结构发达的特点,制备的复合黏结剂可有效实现富碳组分的成型,富碳型渣的冷、热强度可分别达到4.48和1.77MPa,热稳定性超过85%,可满足常压固定床气化要求.随着升温速率的提高,富碳型渣气化失重峰向高温区偏移,最大失重温度、最大失重速率均有所提高,利用FWO法和KAS法计算得到的富碳型渣与CO2的气化反应活化能分别为164和153kJ/mol.研究结果可为开发富碳型渣气化技术提供一定的依据.
氧化处理对煤气化细渣残碳结构特性和气化反应性的影响研究
任亮;田佰起;吴亚娟;龚岩;郭庆华;于广锁;煤气化细渣作为气流床气化的固废产物难以被直接利用,将其分离后的富碳组分进行二次气化是实现煤气化细渣规模化利用的有效方法之一.为了提升煤气化细渣残碳的气化反应性,以空气、二氧化碳、过氧化氢和硝酸为氧化剂,对煤气化细渣浮选残碳(RC)进行了氧化处理.使用热重分析法研究了氧化后RC的水蒸气气化反应性,采用拉曼光谱、X射线衍射仪和N2吸/脱附仪解析了氧化后RC的结构特性.结果表明:相较于RC,氧化后RC的气化特征温度更低,失重速率更快,气化反应性提升显著;结构改善是氧化后RC反应性提升的本质原因,利用空气和二氧化碳氧化后的RC比表面积和孔体积大幅增加,而利用过氧化氢和硝酸氧化有助于RC的活性基团比例和无定形碳结构的显著提升;氧化后RC的结构特性决定了其气化反应性,其中表面活性基团和碳结构无序化程度侧重促进氧化RC的气化初始阶段,孔结构主要影响氧化RC的气化中期阶段.
煤气化灰渣渗滤液中重金属离子吸附去除的分子动力学模拟
刘倩如;黄淄博;周文静;郝南京;魏进家;张浩;田佰起;煤气化灰渣中的重金属离子对生态环境及人类健康存在严重潜在危害,亟需开发高效的处理方法.碳纳米管(CNTs)具有比表面积大、稳定性高和吸附性能好等优势,通过特定官能团的改性处理可进一步提高其对污染物的去除效果.本研究利用分子动力学模拟方法,探讨了羧基功能化单壁碳纳米管(CNT—COO-)对煤气化灰渣污染水体中Cu2+和Cd2+重金属离子的吸附行为.模拟结果表明:在重金属混合离子体系中,一次性加入足量碳纳米管对重金属离子表现出较好的整体去除效果.为深入评估吸附机制,本研究还分析了不同官能团覆盖率和溶液温度对吸附过程中径向分布数密度、均方位移等参数的影响.研究发现:官能团覆盖率为25%的功能化碳纳米管能够在0.1mol/L离子浓度下稳定吸附重金属离子,且在混合体系中对Cu2+的吸附性能更优.随离子初始浓度增加,CNT—COO-对重金属离子的吸附量增加,但其吸附的相对比例逐渐降低.本研究结果为功能化碳纳米管用于重金属离子污染的吸附去除提供了重要参考,同时也为碳基吸附剂的改性研究奠定了理论基础.
基于视觉特征融合与FAMFormer的煤泥浮选尾矿灰分预测方法
温智平;周脉强;刘铖;周长春;当前煤泥浮选生产方式粗放,煤泥浮选系统精准化调控的关键阻碍之一是浮选尾矿灰分的在线预测.已有的尾矿灰分建模技术以视觉建模为主,主要面临特征信息缺失、模型泛化性能差的问题,模型的实际应用效果不佳.针对上述问题,基于视觉特征表格数据融合,提出一种基于算术特征交互的深度网络结构(FAMFormer)的煤泥浮选尾矿灰分预测方法.提出深度残差-挤压激励网络(Res Net-SENet)提取浮选尾矿图像的深度卷积特征,从灰度直方图、共生矩阵、统计学和颜色空间4个角度为尾矿图像建立传统的特征工程,融合深度卷积特征和传统特征工程建立融合尾矿灰分数据集,相关性研究表明:深度卷积特征与尾矿灰分的相关性普遍高于传统的特征工程特征.提出回归模型,在视觉特征融合尾矿灰分数据集上的拟合结果表明:直接训练的均方误差为0.75,经过主成分分析后,对比随机森林回归(RFR)、逐级梯度提升(XGBoost)、类别特征梯度提升(Cat Boost)这3种经典模型的预测结果,FAMFormer对煤泥浮选尾矿灰分的预测性能最佳,均方误差为0.51,均方根误差为0.72,决定系数为0.98.最后,开发灰分预测系统软件,进行工业应用验证,验证结果表明:本文训练获得的模型具有较高的泛化性能,能够为煤泥浮选尾矿灰分建模研究提供方法和理论支撑.
高瓦斯环境含钻孔煤样承载破坏特征真三轴试验
马衍坤;唐定邹;袁亮;刘晓斐;赵敖寒;黄勤豪;为研究高瓦斯环境中含钻孔煤样的承载破坏特征,利用具有单面可视、气体密封功能的真三轴力学试验系统开展了5种瓦斯压力下含钻孔煤样承载破坏试验,直接观测获得了煤样破坏过程的图像信息,结合数字图像相关(DIC)和声发射监测技术,分析了承载过程钻孔动力破坏特征及煤样表面裂纹演化规律.结果表明:钻孔破坏过程会逐步出现颗粒弹射、煤体抛出和碎片剥落等3类典型的动力破坏现象,整个破坏过程呈现非连续的、剧烈的动力破坏特征,钻孔孔壁最先出现颗粒或碎片弹射现象,随后密集出现煤体抛出和碎片剥落现象,在破坏后期出现孔壁垮落的现象;瓦斯气体的存在弱化了破坏的剧烈程度,随着瓦斯压力的升高,钻孔破坏由剧烈的颗粒弹射(煤体抛出)逐渐向碎片剥落转变,在试验瓦斯压力范围内(0～1.2 MPa),颗粒(碎片)的平均弹射速度逐渐降低,由0.345 m/s下降至0.197 m/s,降幅约为42.9%;煤样表面裂纹的萌生与扩展与应力、应变、声发射信号的突变点较为吻合,据此可将煤样破坏过程划分为应变能积累、钻孔上方煤体破坏、钻孔下方煤体破坏和裂纹贯通4个阶段.在试验瓦斯压力范围内(0～1.2 MPa),应变能积累阶段时长随瓦斯压力的升高逐渐减少,由127 s减少至84 s,降幅约为33.6%,累计声发射能量和计数均与瓦斯压力呈负相关,分别下降了92.2%和98.5%;受剪切作用影响钻孔周围开始萌生裂纹,并在张拉剪切的复合作用下逐渐呈现拱形,随后裂纹受张拉作用影响逐渐增大,钻孔区域煤体呈现整体性失稳;煤样表面破坏裂纹呈现拱形形态,裂纹围成的拱形最大面积与瓦斯压力呈负相关,由748.27 cm2减少为394.90 cm2,降幅约为47.2%;煤样表面的应变局部化现象随着加载的进行逐渐加剧,应变场有效方差不断加速增长,在煤样表面形成了“X”形水平应变局部化带、“蝴蝶”形剪切应变局部化带和“条带”状垂直应变局部化带,对应最大拱形裂纹区域的剪切应变集中区面积与瓦斯压力呈负相关,由47.89 cm2减少为27.90cm2,降幅约为41.7%.
NH2-MIL-125/BiOBr复合材料制备及其光催化降解黄药研究
倪超;栾建傅;刘嘉友;王腾;张克非;俞和胜;为实现对选矿废水中黄药的高效去除,本研究通过溶剂热合成法将金属有机框架(MOF)材料NH2-MIL-125(NM-125)与溴氧化铋(BiOBr,简写为BOB)复合,制备了一种新型MOF/BOB型复合光催化材料NM/BOB.采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、扫描电镜(SEM)、电化学阻抗谱(EIS)等表征技术,对NM/BOB的物相、形貌以及光电性能进行了全面表征.通过光催化试验研究了NM/BOB对异丁基钠黄药(SIBX)的降解效果,并探讨了NM/BOB降解SIBX的机理.结果表明:NM/BOB中NM-125均匀地分布在BOB片上,显著提高了BOB的比表面积,增加了活性位点,为高效降解SIBX提供了结构基础.在催化剂用量为400 mg/L、SIBX初始质量浓度为200 mg/L、溶液pH=7.0～7.5条件下,光照150 min,NM/BOB复合光催化剂对SIBX的降解率达到99.09%.NM/BOB具有良好的稳定性,在连续4次降解试验之后,对SIBX的降解率仍高达81%以上.SIBX溶液的pH值和溶液中的Ca2+/Mg2+对NM/BOB降解SIBX的效果没有显著影响.与NM-125单体和BOB单体相比,NM/BOB形成了Ⅱ型异质结,实现了光生电子-空穴对的有效分离,抑制了光生载流子的复合,从而显著提高了光电性能,这是NM/BOB提高光催化效率的主要原因.
南海涠西南凹陷页岩油形成条件及富集特征
李辉;姜振学;邓勇;范彩伟;周刚;李才;胡潜伟;徐旭辉;陈林;为了明确南海涠西南凹陷页岩油形成条件及富集特征,基于钻井、录井、测井、有机地球化学、全岩X衍射、场发射扫描电镜等资料,综合有机地球化学、储层岩石学、盆地模拟等分析技术,深入剖析流沙港组泥页岩和油页岩的生烃条件、微观储层发育特征、含油量及可动性,总结了研究区页岩油藏类型和富集规律,认为涠西南凹陷流沙港组泥页岩和油页岩热演化程度适中,现今仍以生油为主;流沙港组页岩层系总体上具有较好的可压裂改造性.研究结果表明:涠西南凹陷流沙港组页岩层系广泛发育,有机质丰度高(泥页岩TOC平均为2.4%,油页岩TOC平均为6.03%)、类型好(泥页岩主要为Ⅱ1-Ⅱ2型、油页岩主要为Ⅰ-Ⅱ1型)、成熟度适中(Ro为0.6%～1.3%);储集空间以纳米—微米级孔隙和微裂缝为主,石英、长石、碳酸盐岩等脆性矿物质量分数高(平均超过60%)、黏土矿物质量分数低(平均低于30%),具备良好的储集条件和可压裂改造性;涠西南凹陷页岩油可以划分为纯页岩型、夹层型和互层型3种油藏类型与富集模式,页岩含油量及可动性与TOC、Ro密切相关,斜(陡)坡带TOC大于3.5%,R。约为1.0%(对应埋深在3 200 m左右)的夹层型和互层型页岩油藏含油量最大、可动性最好,是页岩油勘探开发的有利区.
覆岩关键层位置的判别方法
许家林,钱鸣高建立了判别覆岩中关键层位置的实用方法 ,并编制了相应的计算机软件 KSPB.首次建立了相邻两层硬岩层同步破断的理论判别式 ,并就相邻两层硬岩层破断顺序的影响因素进行了分析 ,结果表明 ,两硬岩层厚度、间距及上层硬岩所承受的载荷大小是影响相邻两层硬岩层破断顺序的主要因素
我国煤矿巷道锚杆支护技术发展60年及展望
康红普;我国煤矿巷道从1956年开始研究应用锚杆支护技术,至今已有60a.介绍了煤矿巷道锚杆支护技术的发展历程,不同时期采用的锚杆类型及应用条件;总结了煤矿巷道锚杆支护技术取得的研究成果,包括锚杆支护作用模式与支护理论;动态化、信息化的设计方法;支护材料与构件类型、力学性能及匹配性;施工工艺与机具;矿压监测方法与仪器;及锚杆支护在全国的推广应用情况.60a的研究与实践表明,我国煤矿已形成有中国特色的锚杆支护成套技术体系,锚杆支护成为煤矿巷道主体支护方式,为煤矿安全、高效建设与生产提供了可靠的技术保障.最后,根据我国煤矿巷道特点,提出了锚杆支护技术今后的发展方向与建议.
深部巷道围岩控制原理与应用研究
柏建彪;侯朝炯;采用理论分析、数值模拟和现场试验的方法,研究深部巷道围岩稳定问题,认为深部巷道围岩控制的基本方法是提高围岩强度、转移围岩高应力以及采用合理的支护技术.提出了深部巷道围岩控制的基本技术和控制过程:1)应力转移降低巷道浅部围岩应力;2)采用高预紧力、大延伸量的高强度锚杆、锚索支护系统,强化锚固区围岩强度,提高巷道围岩自身稳定性;3)加强巷道两帮、底角支护,提高巷道最薄弱部位(两帮、底角)残余强度、提高巷道围岩的整体稳定性;4)应用高水速凝材料注浆加固破碎区,提高破碎围岩的完整性和力学参数.该研究成果已成功应用于工程实践.
太空采矿发展现状、机遇和挑战
张克非;李怀展;汪云甲;邓喀中;李长贵;王潜心;刘新华;谢耀社;段亚博;杨洋;太空资源开发与利用是目前大国博弈的新疆域,也是科技竞争的制高点,承载着未来人类文明可持续发展的希望,更是关乎我国未来发展的一个重大战略问题.本文在详细介绍太空采矿发展现状的基础上,描绘了太空资源开采目标,分析了开发与利用这些目标上所蕴含资源的可能性,认为基于现代技术及空间资源价值,开采近地小行星上的矿产资源是人类发展的大趋势.提出了太空采矿迫切需要开展研究的四个重点方向,分别为太空资源探测、太空采矿智能机器人平台设计与制造、太空资源勘探与采选和太空采矿空间安全与资源原位利用,并构筑了我国太空采矿发展的愿景.
我国煤矿巷道锚杆支护技术发展60年及展望
康红普;我国煤矿巷道从1956年开始研究应用锚杆支护技术,至今已有60a.介绍了煤矿巷道锚杆支护技术的发展历程,不同时期采用的锚杆类型及应用条件;总结了煤矿巷道锚杆支护技术取得的研究成果,包括锚杆支护作用模式与支护理论;动态化、信息化的设计方法;支护材料与构件类型、力学性能及匹配性;施工工艺与机具;矿压监测方法与仪器;及锚杆支护在全国的推广应用情况.60a的研究与实践表明,我国煤矿已形成有中国特色的锚杆支护成套技术体系,锚杆支护成为煤矿巷道主体支护方式,为煤矿安全、高效建设与生产提供了可靠的技术保障.最后,根据我国煤矿巷道特点,提出了锚杆支护技术今后的发展方向与建议.
MATLAB环境下图像分形维数的计算
杨书申;邵龙义;利用MATLAB的图像处理和数值计算功能,对大气可吸入颗粒物的场发射电镜(FESEM)图像进行处理,得到颗粒物边界的二值图像;编制MATLAB程序,统计一系列以不同像素数量为边长的正方形块覆盖二值图像时的个数,根据像素数量和正方形块个数之间的关系,确定图像的计盒维数.结果表明:MATLAB对分形图像的处理简单、方便,通过科赫曲线、谢宾斯基填料等有规分形图形分形维数的计算表明该方法计算出的结果准确、可靠.对大气颗粒物的分形维数的计算表明,不同不规则程度的颗粒物有不同的分形维数,可以通过颗粒物分形维数的计算分析颗粒物的来源和输运过程.
二维数字图像分形维数的计算方法
彭瑞东,谢和平,鞠杨许多情况下分形维数的计算是通过对二维数字图像的分析得到的.针对二维数字图像的特点,探讨了采用盒维数计算其分形维数的方法.数字图像盒维数的计算是基于对像素矩阵的分析进行的,具有数字化的特点,其计算结果的精度与图像大小有较大关系.数字图像盒维数描述了由离散像素点构成的数字图像中关心区域的分布特点,但其物理意义还应结合数字图像所赋存的物理意义加以分析.
