煤矿超能力生产计划如何下达（论文推荐秦志宏等）

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创新点

借助石油先分离馏分再分别加工利用的思路，在发明萃取反萃取法分离煤族组分的基础上，提出“事前分离与精准利用” 的煤炭分级加工利用新思路，即先将煤全组分在常压室温下分离成重质组、密中质组、疏中质组和轻质组四大族组分，再针对各族组分自身的组成结构特点及其所展现的特殊性质，施以针对性的精准加工利用，使其使用价值获得最有效发挥，提高煤炭的综合利用效益。论文总结了课题组近年来在族组分分级利用方面所展开的实验研究及进展，探究了各族组分在资源化利用方面的可能途径，讨论了具体的加工利用方法及其产品性能，初步实现了各族组分“各尽其才”的资源化精准利用目标。

作 者

秦志宏,杨小芹,林 喆,陈 强

作者单位

中国矿业大学 化工学院

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研究背景

煤炭被发现的历史已有6000余年,而被陆续开 发利用于炼焦、气化、液化的历史也有近百年至千 年。此后,有关煤炭的利用技术不断更新和进步, 有时甚至是十分巨大的进步并带来显著的社会经济效益,为人类发展做出了突出贡献,但煤炭的基本利用方式却一直未跳出燃烧、气化、焦化和液化这几个 技术基础。在煤结构的认知上,近百年来虽然也在不 断发展和深入,但总体为人们所熟知并广泛引用的典型煤结构模型仍主要集中于Fuchs模型、Given模型、Wiser模型、Shinn模型等专门反映煤大分子结构特征的模型以及两相模型、交联模型等专门反映煤分子间作用的模型,这些模型只在某一个方面反映了煤结构的特征,明显缺乏系统性。

笔者在研究CS₂/NMP混合溶剂与煤岩组分可溶 性关系 过程中,发现通过2 步反萃取过程,可以 进一步将萃取物按照“自然类聚”原理分离成3种性 质完全不同的族组分,从而通过萃取反萃取过程,在 常压室温下将原煤全组分分离为重质组、密中质组、 疏中质组和轻质组四大族组分。 在这一发现的 基础上,详细分析了各族组分的组成结构特征及 在工艺性质上表现出的完全不同的特性 ,并依 据这些特征和特性对该四大族组分进行了定义和 命 名,在理论上构建了全新的煤嵌布结构模型理 论,在应用上先后展开了由密中质组制备膜分离 材料、疏中质组制备泡沫炭及多孔电极材 料、密中质组制备中间相半焦、重质组 制备高性能吸附材料以及基于这种萃取反萃取分离 技术的炼焦配煤新方法等研究,并取得相应 的发明专利9 项,进而提出“事前分离与精准利 用”的煤炭分级加工利用新思路,即如同石油在深加 工之前先进行炼油厂炼制以分离不同馏分一样,对煤 炭也在深加工之前通过萃取反萃取法预先进行族组 分分离,然后再对各具特性的族组分,依照其本性结 构和属性分别进行不同的精准加工利用,从而实现煤 炭的综合利用效益。

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摘 要

煤炭作为一种重要的能源和资源,其主要利用方式仍限于近百年前甚至千年前所形成的技 术基础:燃烧、气化、焦化和液化。借助石油先分离馏分再分别加工利用的思路,在发明萃取反萃取法分离煤族组分的基础上,提出“事前分离与精准利用” 的煤炭分级加工利用新思路,即先将煤全组分在常压室温下分离成重质组、密中质组、疏中质组和轻质组四大族组分,再针对各族组分自身的组成结构特点及其所展现的特殊性质,施以针对性的精准加工利用,使其使用价值获得最有效发挥,提高煤炭的综合利用效益。

根据这一思路,本文在前期构建的煤嵌布结构模型理论及炼焦煤结焦新机理的基础上,进一步总结了课题组近年来在族组分分级利用方面所展开的实验研究及进展,探究了各族组分在资源化利用方面的可能途径,讨论了具体的加工利用方法及其产品性能,具体包括由疏中质组制备泡沫炭及多孔电极材料、密中质组制备中间相半焦、密中质组制备膜分离材料的理论分析、实验验证和工艺条件研究等,以及通过这些族组分建立新的炼焦配煤方法的理论依据和实验结果。

结果表明:萃取反萃取法第1次实现了煤炭有机质在使用前的聚类分离;分离出的族组分彼此性质差别巨大,甚至是煤炭产生某方面特性的源质组分,如密中质组是炼焦煤产生流动性及生成中间相的源质组分,疏中质组是炼焦煤产生膨胀性的源质组分等;对这些源质分别进行的加工和转化,初步实现了各族组分“各尽其才”的资源化精准利用目标;所获得的初期产品性能良好,加工工艺简单,过程稳定可靠;提出的“事前分离与精准利用”设想完全可行。

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文中图片

煤炭事前分离的基本流程

密中质组骨架的分子结构模型

密中质组热解炭化产物的偏光显微照片

密中质组制备的中间相小球体偏光显微照片(炭化温度425℃,恒温时间1h)

450℃终温下随恒温时间延长中间相的形态演变

疏中质组骨架的分子结构模型

疏中质组泡状结构的TEM图片

散装方式生成的泡沫炭SEM照片

5MPa压力下成型的片状疏中质组及其所生成的泡沫炭照片

5MPa压力下成型后所生成泡沫炭的SEM图片

抽提小分子调制泡孔结构的泡沫炭SEM图片

泡沫炭的制备工艺流程

Nano-ZrO₂改性前后的石墨化泡沫炭SEM对比

文献报道的泡沫炭两种典型结构(a),(b)与煤疏中质组制备的第3种结构(c)对比

煤疏中质组经初生泡沫炭制备的活性泡沫炭孔径分布分类

初生泡沫炭(a)及碎片状炭薄片(b)的SEM图片

炭薄片活化前后的HR-TEM图片

多孔炭材料的SEM图片及10mV/s下的CV图

掺入模板剂MgO制备的多孔炭材料SEM图片及其拉曼光谱

由疏中质组通过模板法制备多孔碳材料的形成机理

煤密中质组在萃取液中的链状黏连及析出后形成的均质块体的TEM图片

煤密中质组在石英玻璃表面形成的皮层和微粒层的SEM图片

煤密中质组制备的陶瓷-炭复合膜表面SEM图片

煤密中质组所制管状陶瓷-炭复合膜成品

新的配煤参数在允许相对误差为5%时对焦炭质量的预测效果

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作者简介

秦志宏, 男，1963年10月生, 汉族，安徽安庆人，中国矿业大学化学工程与技术学科教授、博士、博士生导师。现任化学工程与工艺专业负责人，《洁净煤技术》杂志编委，江苏省化学化工学会理事。主要从事煤结构理论、煤全组分高效利用理论与技术、炭分离膜制备与应用技术、炭素材料制备与应用技术、超级电容器电极材料制备技术和炼焦配煤理论与技术等领域的科学研究。提出煤中小分子以游离态、微孔嵌入态和网络嵌入态三种形态存在的学术观点，并构建了适于全煤阶的煤嵌布结构理论新模型；开发出煤全组分温和化萃取反萃取分离方法，提出对煤有机质先分离后加工利用的综合高效利用新思路；提出并开发了利用煤中族组分制备中间相和炭素制品以及制造复合炭膜与超级电容器电极材料的新方法与工艺；提出非岩相炼焦配煤新方法与技术思路等。

主持国家自然科学基金面上项目5项、国家重点基础研究发展计划项目（973）子课题1项、省部级项目3项； 第一作者和通讯作者发表学术论文70余篇，其中SCI、EI收录论文30余篇； 出版专著2部，编著和教材2部； 授权国家发明专利9项； 获教育部、中国石油与化学工业协会及江苏省科技进步一等奖1项、二等奖2项、三等奖1项。 现主讲《化工原理》《化工技术经济》等本科主干课程和《化工数值方法及MATLAB应用》等研究生课程。 主持《化工原理》课程建设获江苏省精品课程； 主持“化工原理网络课件系统”建设获江苏省多媒体课件三等奖； 主持其他教改项目先后获全国煤炭教育优秀成果二等奖和学校教学成果一、二等奖等。

来源：

秦志宏,杨小芹,林喆,等. 煤炭分级利用新思路———事前分离与精准利用[J]. 煤炭学报,2020,45(1):424-442.

QIN Zhihong,YANG Xiaoqin,LIN Zhe,et al. Fractional utilization of coal by prior separation and precise usage:A new concept[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(1):424-442.

责任编辑：常明然编辑整理：郭晓炜

审 核：常琛

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