低品質(zhì)煤大規(guī)模提質(zhì)利用的基礎(chǔ)研究

項(xiàng)目名稱(chēng)：

低品質(zhì)煤大規(guī)模提質(zhì)利用的基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家：劉炯天中國(guó)礦業(yè)大學(xué)起止年限：2012.1-2016.8依托部門(mén)：江蘇省科技廳一、關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題及研究?jī)?nèi)容1．關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題針對(duì)上述領(lǐng)域涉及的重要科學(xué)基礎(chǔ)，本項(xiàng)目以低品質(zhì)煤大規(guī)模提質(zhì)利用為核心，凝煉出擬解決的三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題一：低品質(zhì)煤中礦物、硫、水等雜質(zhì)的賦存及化學(xué)與物理作用低品質(zhì)煤提質(zhì)的科學(xué)基礎(chǔ)是對(duì)雜質(zhì)賦存及化學(xué)和物理作用的認(rèn)知。有別于傳統(tǒng)的基于有機(jī)質(zhì)展開(kāi)的煤化學(xué)研究，煤的雜質(zhì)賦存化學(xué)主要研究雜質(zhì)的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)及其與煤有機(jī)質(zhì)分子間的相互作用，而賦存物理主要研究雜質(zhì)的形態(tài)、形貌及嵌布方式等。煤中的粗粒礦物可通過(guò)一般選煤方法脫除，但煤炭深度脫硫降灰是針對(duì)煤中微細(xì)礦物展開(kāi)的。煤中微細(xì)礦物一般是指肉眼難以分辨的、嵌布在有機(jī)質(zhì)中通過(guò)常規(guī)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(xì)礦物難于脫除的原因在于其被煤包裹并與煤本體形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)關(guān)系。因此，需要深入研究微細(xì)礦物種類(lèi)、組成、在有機(jī)質(zhì)中的嵌布形態(tài)和分布規(guī)律及其對(duì)脫除的影響。有機(jī)硫存在于煤有機(jī)分子結(jié)構(gòu)中，由于煤有機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前對(duì)煤中有機(jī)硫的研究主要關(guān)注含硫官能團(tuán)的辨識(shí)以及在利用過(guò)程中硫的化學(xué)變遷。煤中有機(jī)硫定向脫除的關(guān)鍵是深入認(rèn)識(shí)各種含硫組分及含硫化學(xué)結(jié)構(gòu)與基團(tuán)在煤有機(jī)質(zhì)中的賦存規(guī)律，闡明煤有機(jī)結(jié)構(gòu)與相應(yīng)含硫基團(tuán)和結(jié)構(gòu)間的作用類(lèi)型與作用規(guī)律，解析典型有機(jī)含硫組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)、硫鍵和相關(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)不同形式的外加能量的化學(xué)物理響應(yīng)規(guī)律，從而找到有機(jī)硫的脫除機(jī)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(tuán)和發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)。含氧官能團(tuán)的組成、結(jié)構(gòu)、存在形態(tài)和分布規(guī)律對(duì)煤持水特性有重要影響；褐煤孔隙中水的富集和作用機(jī)制與有機(jī)質(zhì)的內(nèi)表面吸附性及毛細(xì)管作用有關(guān)，各種含氧官能團(tuán)和孔隙結(jié)構(gòu)相互交織形成的多維空間體系使水的賦存更加復(fù)雜，不同賦存形態(tài)的水與本體間的作用力形式和大小不同。對(duì)這些問(wèn)題的深入認(rèn)知是煤脫水提質(zhì)的關(guān)鍵基礎(chǔ)。關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題二：雜質(zhì)組分脫除的能量作用機(jī)制和界面調(diào)控煤中雜質(zhì)組分脫除的本質(zhì)是外界輸入能量克服雜質(zhì)組分與煤本體之間結(jié)合能的過(guò)程，不同的雜質(zhì)組分具有不同的結(jié)合能。煤脫水的理論基礎(chǔ)應(yīng)當(dāng)是對(duì)煤中羧基和羥基等含氧官能團(tuán)造成強(qiáng)持水性的原因、發(fā)達(dá)孔結(jié)構(gòu)中水的表面吸附和毛細(xì)管作用機(jī)制的充分認(rèn)知，并系統(tǒng)研究不同賦存形式水脫除所對(duì)應(yīng)的本征能量和不同環(huán)境條件下脫水過(guò)程的熱力學(xué)特征，從而為構(gòu)建煤低能耗脫水的技術(shù)原型提供科學(xué)理論支持。煤微波輻照下脫硫是基于微波的穿透性和微觀(guān)靶向能量作用。對(duì)煤及其含硫組分的微觀(guān)化學(xué)結(jié)構(gòu)、介電性質(zhì)及其差異性和表征方法的研究是煤微波脫硫的基礎(chǔ)；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(yīng)的匹配，可為微波輻照下煤中硫組分的降解脫除提供科學(xué)理論和方法指導(dǎo)。分離過(guò)程涉及不同尺度的相界面，相界面能的有效調(diào)控是低品質(zhì)煤高效提質(zhì)的基礎(chǔ)。煤脫水后界面能的改變是引起提質(zhì)煤界面不穩(wěn)定性的重要因素，因此需要研究煤在不同能量場(chǎng)作用下表面含氧官能團(tuán)的脫除機(jī)制，揭示導(dǎo)致界面不穩(wěn)定的不飽和力場(chǎng)和價(jià)鍵形式，從而為有效降低提質(zhì)煤的界面能，解決提質(zhì)煤貯存和運(yùn)輸過(guò)程中穩(wěn)定性問(wèn)題提供理論基礎(chǔ)。微細(xì)粒煤的浮選是低品質(zhì)煤的深度脫硫降礦物灰的重要方法，（煤）－水界面能的調(diào)控是影響浮選行為與效果的關(guān)鍵因素，因此，應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)研究煤與礦物的潤(rùn)濕性差異、煤－水－藥劑的界面作用及其調(diào)控機(jī)制，以便為提高微細(xì)粒煤礦化效果、強(qiáng)化浮選過(guò)程提供科學(xué)基礎(chǔ)。關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題三：低品質(zhì)煤大規(guī)模提質(zhì)利用的流態(tài)化基礎(chǔ)與過(guò)程動(dòng)力學(xué)傳統(tǒng)的流態(tài)化基礎(chǔ)與過(guò)程動(dòng)力學(xué)在動(dòng)力工程和化學(xué)工程等領(lǐng)域研究較多，主要集中在氣固或多相流態(tài)化的流型及與之關(guān)聯(lián)的物性和結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，對(duì)形成穩(wěn)定的氣固兩相流為分離介質(zhì)的分選流態(tài)化研究很少，具有寬尺度多組分特性的煤炭在流態(tài)化中的精確分離是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。因此，應(yīng)該研究寬尺度氣固流態(tài)化系統(tǒng)穩(wěn)定的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)及分離過(guò)程，特別是煤炭提質(zhì)的寬尺度多相流動(dòng)規(guī)律及相間的相互作用機(jī)理，顆粒表面化學(xué)動(dòng)力學(xué)與顆粒動(dòng)力學(xué)，煤炭分離提質(zhì)的流態(tài)化和能量高效傳遞。低品質(zhì)煤炭深度脫硫降灰的核心在于煤中微細(xì)礦物的高效脫除，難點(diǎn)是煤與礦物分離過(guò)程的非均衡性以及微細(xì)礦物的微尺度效應(yīng)。因此，應(yīng)該研究煤中微細(xì)礦物在分選過(guò)程中的界面行為與礦化特性，不同流態(tài)條件下微細(xì)礦物的能量作用機(jī)制、礦化反應(yīng)規(guī)律及高效礦化機(jī)理，特別是與礦物的非線(xiàn)性物性匹配的多流態(tài)梯級(jí)強(qiáng)化非均衡過(guò)程動(dòng)力學(xué)，基于非均衡過(guò)程的分選動(dòng)力學(xué)等。低品質(zhì)煤提質(zhì)前后雜質(zhì)賦存和物理化學(xué)特性發(fā)生了顯著變化。因此，應(yīng)該研究提質(zhì)煤孔隙結(jié)構(gòu)、含氧官能團(tuán)、礦物成分、表面性質(zhì)變化對(duì)其高效燃燒反應(yīng)特性的影響機(jī)理，灰熔融特性變化及調(diào)控規(guī)律，雜質(zhì)元素在燃燒等過(guò)程中的遷移及控制規(guī)律。2．主要研究?jī)?nèi)容本項(xiàng)目研究以低品質(zhì)煤的雜質(zhì)賦存化學(xué)與物理為基礎(chǔ)，以低品質(zhì)煤提質(zhì)的物質(zhì)認(rèn)知基礎(chǔ)—能量作用機(jī)制和界面調(diào)控—過(guò)程強(qiáng)化—提質(zhì)利用為研究主線(xiàn)，以大規(guī)模提質(zhì)為目的，圍繞項(xiàng)目的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，重點(diǎn)開(kāi)展以下方面的研究：低品質(zhì)煤的礦物、硫、水等雜質(zhì)賦存化學(xué)與物理低品質(zhì)煤中微細(xì)礦物組成、賦存及其分配遷移模型低品質(zhì)煤的有機(jī)含硫結(jié)構(gòu)及其典型賦存特性③褐煤含水結(jié)構(gòu)及水的賦存化學(xué)與物理煤炭脫水提質(zhì)的量子/分子力學(xué)分析與能量機(jī)制煤炭脫水本征能量的量子/分子力學(xué)研究煤炭脫水分子機(jī)制及技術(shù)原型③提質(zhì)煤的界面穩(wěn)定性及其調(diào)控煤中含硫組分對(duì)微波的化學(xué)物理響應(yīng)與脫除煤及其含硫組分的非均質(zhì)介電特性含硫組分結(jié)構(gòu)對(duì)微波的斷鍵響應(yīng)及硫降解規(guī)律③微波脫硫動(dòng)力學(xué)及調(diào)控低品質(zhì)煤干法脫灰脫水的流態(tài)化基礎(chǔ)大型濃相分選流態(tài)化的穩(wěn)定機(jī)制煤炭干法脫灰脫水的分離過(guò)程及其動(dòng)力學(xué)③流態(tài)化的界面動(dòng)力學(xué)及相間熱質(zhì)傳遞煤炭深度脫硫降灰的非均衡過(guò)程及其動(dòng)力學(xué)微細(xì)礦物分離的尺度效應(yīng)多流態(tài)梯級(jí)強(qiáng)化的非均衡分離過(guò)程③煤炭深度脫硫降灰的界面調(diào)控及分選動(dòng)力學(xué)提質(zhì)煤的高效燃燒氣化機(jī)理及污染控制提質(zhì)煤非均相高溫高壓燃燒氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)提質(zhì)煤熱轉(zhuǎn)化過(guò)程中污染物生成、遷移及阻滯機(jī)制③提質(zhì)煤的高溫熔融物相生成及黏溫特性調(diào)控二、預(yù)期目標(biāo)總體研究目標(biāo)：針對(duì)我國(guó)低品質(zhì)煤大規(guī)模開(kāi)發(fā)的重大需求，研究低品質(zhì)煤中礦物、硫、水等雜質(zhì)的賦存化學(xué)與物理，揭示雜質(zhì)組分脫除的化學(xué)物理響應(yīng)和界面調(diào)控規(guī)律，構(gòu)建以穩(wěn)定流態(tài)化與非均衡分離過(guò)程為特征的低品質(zhì)煤大規(guī)模提質(zhì)的工程基礎(chǔ)，提出提質(zhì)煤的燃燒等高效利用原理與方法，形成我國(guó)低品質(zhì)煤提質(zhì)利用的理論體系與技術(shù)創(chuàng)新。項(xiàng)目的具體目標(biāo)：（1）通過(guò)低品質(zhì)煤中礦物、硫和水等雜質(zhì)的賦存形態(tài)、化學(xué)結(jié)構(gòu)及與煤有機(jī)質(zhì)本體的分子間鍵合和物理作用機(jī)制研究，建立低品質(zhì)煤的雜質(zhì)賦存化學(xué)與物理理論。（2）建立多元多組分復(fù)雜低品質(zhì)煤的計(jì)算模擬研究平臺(tái)，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(jī)制、界面調(diào)控理論，提出煤炭脫水的技術(shù)原型，實(shí)現(xiàn)煤中水和硫脫除的理論突破和方法創(chuàng)新。（3）揭示大型濃相分選流態(tài)化的穩(wěn)定和流態(tài)化高效能量傳遞的機(jī)制，建立高灰煤干法脫灰以及褐煤脫灰脫水協(xié)同機(jī)制，為高灰高水煤炭的干法流態(tài)化高效提質(zhì)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。（4）建立基于微細(xì)礦物可浮性，與非線(xiàn)性物性相匹配的多流態(tài)梯級(jí)強(qiáng)化非均衡分離過(guò)程，提出微細(xì)粒煤的高效分離方法，實(shí)現(xiàn)稀缺煤資源二次開(kāi)發(fā)的技術(shù)突破。建立國(guó)際一流的低品質(zhì)煤提質(zhì)利用研究平臺(tái)，在煤的雜質(zhì)賦存、提質(zhì)分離的界面調(diào)控及動(dòng)力機(jī)制、流態(tài)化基礎(chǔ)與過(guò)程動(dòng)力學(xué)等方面實(shí)現(xiàn)理論創(chuàng)新；實(shí)現(xiàn)煤炭高效脫灰脫水、微波脫硫、稀缺煤資源二次開(kāi)發(fā)等關(guān)鍵技術(shù)突破，取得一批具有國(guó)際影響的研究成果。可為保有儲(chǔ)量約2300億噸的褐煤和高灰煤開(kāi)發(fā)奠定科學(xué)基礎(chǔ)，可每年多回收稀缺煉焦精煤約3000萬(wàn)噸（相當(dāng)于少用稀缺煤資源6000萬(wàn)噸）。凝聚并培養(yǎng)本領(lǐng)域的優(yōu)秀專(zhuān)家，形成國(guó)內(nèi)一流的低品質(zhì)煤提質(zhì)利用的高水平研究團(tuán)隊(duì)，培養(yǎng)碩士、博士共150名；在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文300篇，出版專(zhuān)著3～5部，申報(bào)專(zhuān)利20項(xiàng)。三、研究方案1．研究思路本項(xiàng)目以低品質(zhì)煤提質(zhì)的物質(zhì)認(rèn)知—能量機(jī)制—過(guò)程強(qiáng)化—提質(zhì)利用為研究思路，綜合運(yùn)用礦物加工學(xué)、煤化學(xué)、量子化學(xué)、界面化學(xué)、流體力學(xué)和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科基礎(chǔ)理論，采用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬等多種方法，開(kāi)展系統(tǒng)的理論和方法研究，構(gòu)建適合我國(guó)低品質(zhì)煤大規(guī)模提質(zhì)利用的理論體系?？傮w研究思路如圖1所示。2．技術(shù)路線(xiàn)總體技術(shù)路線(xiàn)如圖2所示。如圖2所示，本項(xiàng)目以學(xué)術(shù)思想為指導(dǎo)，基于對(duì)低品質(zhì)煤的雜質(zhì)賦存及作用的認(rèn)識(shí)，預(yù)測(cè)煤炭脫水與煤有機(jī)硫脫除的技術(shù)途徑，提出以工程應(yīng)用為背景的干法流態(tài)化分離提質(zhì)和多流態(tài)非均衡過(guò)程強(qiáng)化分離提質(zhì)的方法，以期達(dá)到低品質(zhì)煤大規(guī)模提質(zhì)的目的。具體技術(shù)途徑如下：（1）采用原位分析、萃取與反萃取等分離方法，運(yùn)用光學(xué)/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(zhì)煤中礦物、硫、水等雜質(zhì)賦存形態(tài)及其化學(xué)和物理作用機(jī)制，并通過(guò)分子設(shè)計(jì)、量子/分子力學(xué)計(jì)算模擬，構(gòu)建典型低品質(zhì)煤結(jié)構(gòu)模型簇。（2）采用量子化學(xué)/分子力學(xué)方法，計(jì)算煤炭脫水的本征能量，結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，提出煤炭脫水的技術(shù)原型。通過(guò)對(duì)微波能量調(diào)控與匹配的研究，探索低品質(zhì)煤有機(jī)硫脫除的技術(shù)途徑。（3）采用實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬、工程基礎(chǔ)試驗(yàn)等方法，研究流態(tài)化的穩(wěn)定性與高效能量傳遞機(jī)制、非均衡過(guò)程梯級(jí)強(qiáng)化與分選動(dòng)力學(xué)，構(gòu)建低品質(zhì)煤的干法流態(tài)化高效提質(zhì)、非均衡過(guò)程強(qiáng)化分選的理論基礎(chǔ)。（4）綜合運(yùn)用多組分在線(xiàn)分析、燃燒過(guò)程激光診斷等方法，研究提質(zhì)煤的燃燒氣化反應(yīng)機(jī)理、雜質(zhì)遷移脫除及灰熔融性調(diào)控規(guī)律，提出提質(zhì)煤的燃燒等高效利用原理與方法。3．創(chuàng)新點(diǎn)與特色（1）創(chuàng)新點(diǎn)①創(chuàng)立低品質(zhì)煤的雜質(zhì)賦存化學(xué)與物理理論突破傳統(tǒng)煤化學(xué)研究框架，揭示低品質(zhì)煤中礦物、硫和水等雜質(zhì)的賦存規(guī)律，解析煤中雜質(zhì)與煤有機(jī)質(zhì)本體結(jié)構(gòu)間的作用，豐富和完善煤化學(xué)理論體系。②提出基于量子化學(xué)/分子力學(xué)分析的低品質(zhì)煤提質(zhì)的技術(shù)原型從分子層次揭示褐煤脫水、含硫結(jié)構(gòu)脫除的本征能量；闡明典型脫水方法的熱力學(xué)特征和微波脫硫的機(jī)理，構(gòu)建煤炭脫水和微波脫硫的理論體系和技術(shù)原型。構(gòu)建大規(guī)模分選流態(tài)化穩(wěn)定、高效傳遞及協(xié)同分離機(jī)制揭示大型濃相分選流態(tài)化的穩(wěn)定和高效能量傳遞的機(jī)制，提出高灰（硫）煤干法脫灰（硫）以及褐煤脫灰脫水協(xié)同機(jī)制，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)流態(tài)化基礎(chǔ)理論的突破。建立基于多流態(tài)梯級(jí)強(qiáng)化的微細(xì)粒分選方法以粗粒煤脫硫降灰為基礎(chǔ)，根據(jù)礦物可浮性的非線(xiàn)性過(guò)程特征，建立與物性匹配的多流態(tài)梯級(jí)強(qiáng)化非均衡過(guò)程，實(shí)現(xiàn)低品質(zhì)煤深度脫硫降灰。實(shí)現(xiàn)煤炭高效脫灰脫水、微波脫硫和稀缺煤炭資源二次開(kāi)發(fā)的方法創(chuàng)新和技術(shù)突破。（2）特色①針對(duì)我國(guó)低品質(zhì)煤特性的大規(guī)模提質(zhì)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目針對(duì)我國(guó)煤炭資源復(fù)雜特性，從低品質(zhì)煤雜質(zhì)的本質(zhì)特性入手，進(jìn)行煤的賦存化學(xué)與物理研究，首次將研究視角直接面對(duì)煤中雜質(zhì)，全面地揭示煤中礦物、硫和水等雜質(zhì)賦存的內(nèi)在本質(zhì)及相互聯(lián)系，拓展以煤本體結(jié)構(gòu)為背景的傳統(tǒng)煤化學(xué)體系。其次，項(xiàng)目針對(duì)我國(guó)低品質(zhì)煤炭大規(guī)模開(kāi)發(fā)的迫切需求，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模開(kāi)發(fā)為研究目標(biāo)，進(jìn)行系統(tǒng)的提質(zhì)理論和方法創(chuàng)新研究。如干法流態(tài)化研究針對(duì)我國(guó)西部缺水及煤炭開(kāi)發(fā)西移的特點(diǎn)，將為我國(guó)西部低品質(zhì)煤的干法提質(zhì)提供理論基礎(chǔ)。②以雜質(zhì)賦存尺度為主線(xiàn)，綜合應(yīng)用多種研究手段構(gòu)建以雜質(zhì)賦存（顆粒）尺度為主線(xiàn)的低品質(zhì)脫除方法與技術(shù)路線(xiàn)：首先是針對(duì)粗顆?；蛟旱拿禾刻豳|(zhì)，包括高灰（硫）煤脫硫降灰以及煤炭的脫灰脫水；然后是針對(duì)細(xì)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(jié)構(gòu)中的有機(jī)硫，實(shí)現(xiàn)低品質(zhì)煤的潔凈化。整個(gè)研究綜合應(yīng)用了多種方法與手段，如量子/分子力學(xué)分析、微波電磁場(chǎng)、分選流態(tài)化、非均衡分離過(guò)程強(qiáng)化等?；A(chǔ)研究與工程技術(shù)的緊密結(jié)合具體表現(xiàn)為：分選流態(tài)化高效提質(zhì)將應(yīng)用于煤炭脫灰脫水與高灰（硫）煤的分離提質(zhì)相結(jié)合；多流態(tài)的非均衡分離過(guò)程強(qiáng)化將支撐微細(xì)粒分選，并與稀缺煤二次開(kāi)發(fā)結(jié)合；微波脫硫?qū)⒅饕槍?duì)煤中有機(jī)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(zhì)煤的提質(zhì)與利用研究交叉優(yōu)化低品質(zhì)煤提質(zhì)后雜質(zhì)賦存和物理化學(xué)特性發(fā)生了顯著變化，提質(zhì)過(guò)程對(duì)提質(zhì)煤的利用必然產(chǎn)生影響。如煤孔隙結(jié)構(gòu)、含氧官能團(tuán)、礦物成分、表面性質(zhì)變化對(duì)其高效燃燒氣化反應(yīng)特性產(chǎn)生重大影響，雜質(zhì)元素在燃燒氣化過(guò)程中的遷移規(guī)律也發(fā)生變化。因此，本項(xiàng)目通過(guò)提質(zhì)煤的利用研究來(lái)反饋指導(dǎo)提質(zhì)研究，優(yōu)化提質(zhì)參數(shù)及指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)與利用研究的交叉優(yōu)化。4．可行性分析項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)重大突破的關(guān)鍵點(diǎn)是：認(rèn)知低品質(zhì)煤的雜質(zhì)賦存及化學(xué)物理作用，構(gòu)建高效提質(zhì)的技術(shù)原型，創(chuàng)立大規(guī)模提質(zhì)工程基礎(chǔ)。其可行性分析如下：（1）低品質(zhì)煤的雜質(zhì)賦存的認(rèn)知實(shí)現(xiàn)低品質(zhì)煤大規(guī)模提質(zhì)的科學(xué)基礎(chǔ)在于對(duì)煤的雜質(zhì)賦存形態(tài)，雜質(zhì)與本體有機(jī)質(zhì)間的化學(xué)與物理作用的深入認(rèn)知，而其關(guān)鍵在于研究思路和技術(shù)手段的創(chuàng)新。對(duì)典型的低品質(zhì)煤樣分三個(gè)層次進(jìn)行解析，首先采用原位分析，對(duì)低品質(zhì)煤的雜質(zhì)賦存總貌初步認(rèn)識(shí)；然后進(jìn)行分離表征；最后通過(guò)分子設(shè)計(jì)、量子/分子力學(xué)模擬計(jì)算，硫、解析煤中礦物、水等雜質(zhì)賦存形態(tài)及其化學(xué)與物理作用機(jī)制。對(duì)于高灰煤主要采取原位分析。利用光學(xué)/電子顯微鏡、X射線(xiàn)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(zhì)賦存形貌等；采用溫和萃取與反萃取方法，將復(fù)雜微細(xì)礦物與煤本體分離，對(duì)于被有機(jī)質(zhì)包裹的礦物采取低溫灰化方法，釋放其中礦物質(zhì)并進(jìn)行表征。將各步結(jié)果對(duì)比分析，獲得礦物的賦存認(rèn)知。綜合利用多種手段對(duì)高硫煤進(jìn)行分析表征。首先采用測(cè)硫儀、X射線(xiàn)原子吸收光譜儀、X射線(xiàn)光電子能譜儀等，分析和表征原煤中硫的分布及結(jié)構(gòu)；采用分級(jí)分次萃取方法，根據(jù)相似相容的原理，時(shí)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(duì)其進(jìn)行光譜/色譜/質(zhì)譜/能譜解析；對(duì)于難溶解的殘?jiān)捎酶〕翆?shí)驗(yàn)，對(duì)有機(jī)質(zhì)催化熱解，對(duì)解聚產(chǎn)物再進(jìn)行光譜/色譜/質(zhì)譜/能譜解析；對(duì)比分析各步驟結(jié)果，采用分子設(shè)計(jì)和量子/分子力學(xué)方法，構(gòu)建含硫結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算含硫結(jié)構(gòu)與有機(jī)質(zhì)結(jié)合的弱鍵結(jié)構(gòu)和能量。對(duì)于高含水煤，首先利用光學(xué)/電子顯微鏡、能譜、熱重、孔隙分析等手段表征含水構(gòu)造的形貌特征、水的釋放規(guī)律等；然后定性定量分析褐煤中腐植酸和含氧官能團(tuán)，研究其中水的賦存方式；采用萃取分離，分別對(duì)各級(jí)萃取物進(jìn)行水分分離，獲得作用力不同的各類(lèi)水分子的近似質(zhì)量；最后通過(guò)分子設(shè)計(jì)、量子/分子力學(xué)模擬計(jì)算，將研究結(jié)果進(jìn)行比對(duì)和詳盡分析，解析煤中水分賦存形態(tài)及化學(xué)和物理作用機(jī)制。（2）高效提質(zhì)技術(shù)原型的構(gòu)建煤炭脫水、有機(jī)硫脫除的關(guān)鍵是高效能量的輸入，而其本征能量能夠通過(guò)量子/分子力學(xué)分析得到?；谡n題1的研究結(jié)果，采用量子化學(xué)/分子力學(xué)方法對(duì)低品質(zhì)煤的雜質(zhì)賦存結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，建立典型結(jié)構(gòu)單元模型簇。采用組合量子力學(xué)和分子力學(xué)方法，獲取雜質(zhì)脫除的熱力學(xué)判據(jù)和本征能量。運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬MD，研究外界條件（熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、電磁效應(yīng)、溶劑效應(yīng)）對(duì)煤結(jié)構(gòu)與界面的影響，探索煤中含氧官能團(tuán)與水分子之間、水－溶劑分子等相互作用的物理化學(xué)性質(zhì)，脫水過(guò)程的可能通道與機(jī)理。根據(jù)煤炭脫水的本征能量，研究典型脫水方法的熱力學(xué)特征；探討脫水煤組成、結(jié)構(gòu)與界面特性。利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果不斷修正和完善本征能量的計(jì)算模型，從而得到煤炭脫水的技術(shù)原型。對(duì)于脫除有機(jī)硫的過(guò)程，利用量子化學(xué)方法，通過(guò)煤中含硫化學(xué)結(jié)構(gòu)相關(guān)計(jì)算預(yù)測(cè)弱鍵位置和脫硫的可能性，研究含硫結(jié)構(gòu)與外界能量場(chǎng)的響應(yīng)，脫硫過(guò)程的可能途徑與機(jī)理。為微波定向脫硫提供理論依據(jù)。（3）大規(guī)模提質(zhì)利用工程基礎(chǔ)的創(chuàng)立微波對(duì)煤本體的穿透性和對(duì)具有高介電損耗的含硫結(jié)構(gòu)的靶向吸收效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)微波脫硫的基礎(chǔ)。目前開(kāi)展的煉焦煤微波脫硫試驗(yàn)已取得初步脫硫效果。本項(xiàng)目的基礎(chǔ)研究將不僅提供理論支持，而且也為完善工藝試驗(yàn)創(chuàng)造條件。低品質(zhì)煤大規(guī)模干法脫灰脫水的關(guān)鍵是解決大型濃相分選流化床的穩(wěn)定和流態(tài)化高效能量傳遞問(wèn)題，煤炭深度脫硫降灰的關(guān)鍵是解決微細(xì)顆粒條件下多流態(tài)非均衡分離過(guò)程強(qiáng)化問(wèn)題。綜合運(yùn)用現(xiàn)代分析測(cè)試手段、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，研究寬尺度氣固流態(tài)化系統(tǒng)的形成及控制機(jī)制、非均衡分離過(guò)程動(dòng)力學(xué)、能量作用機(jī)制及礦化反應(yīng)規(guī)律等，建立分選流態(tài)化的穩(wěn)定機(jī)制、多流態(tài)非均衡分離過(guò)程強(qiáng)化的理論體系，推動(dòng)低品質(zhì)煤大規(guī)模提質(zhì)技術(shù)的發(fā)展。綜上所述，本項(xiàng)目立足國(guó)家重大需求，總體思路合理，研究方法正確，技術(shù)路線(xiàn)可行，實(shí)驗(yàn)手段先進(jìn)，工程應(yīng)用背景強(qiáng)。研究隊(duì)伍聚集了國(guó)內(nèi)煤炭加工利用相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)力量，體現(xiàn)了能源與化工等相關(guān)學(xué)科的交叉融合。相關(guān)單位與個(gè)人承擔(dān)過(guò)多項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)與重大項(xiàng)目，能準(zhǔn)確把握技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題所在，為本項(xiàng)目研究提供了保障。5．課題設(shè)置課題1:低品質(zhì)煤的礦物、硫、水等雜質(zhì)的賦存化學(xué)與物理研究目標(biāo)：通過(guò)低品質(zhì)煤中礦物、硫和水等雜質(zhì)的賦存形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征、與煤有機(jī)質(zhì)的鍵合作用和非鍵作用機(jī)制研究，建立低品質(zhì)煤的雜質(zhì)賦存化學(xué)與物理，為低品質(zhì)煤大規(guī)模提質(zhì)利用的研究提供認(rèn)知基礎(chǔ)。研究?jī)?nèi)容：①低品質(zhì)煤中微細(xì)礦物組成、賦存及其分配遷移模型研究微細(xì)礦物的地質(zhì)成因以及在煤層中的分布特征。探討微細(xì)礦物類(lèi)型、組成、粒度分布、物理化學(xué)特性及其與有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)關(guān)系等賦存特征，建立主要微細(xì)礦物、浸染黃鐵礦等在煤炭深度脫硫降灰過(guò)程中的分配及遷移模型。②低品質(zhì)煤的有機(jī)含硫結(jié)構(gòu)及其典型賦存特性針對(duì)高硫煤和高硫稀缺煉焦煤，研究其有機(jī)含硫組分的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、與煤有機(jī)質(zhì)本體的化學(xué)物理作用與機(jī)制；通過(guò)量子化學(xué)分析不同含硫組分在能量場(chǎng)下斷鍵規(guī)律，模擬形成的含硫結(jié)構(gòu)并建立典型結(jié)構(gòu)模型。③褐煤含水結(jié)構(gòu)及水的賦存化學(xué)與物理研究褐煤中有機(jī)含氧官能團(tuán)、孔隙結(jié)構(gòu)的賦存特征及其持水機(jī)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