煤炭清潔高效利用

能源安全是關系國家經濟社會發展的全局性、戰略性問題，建設現代化國家必須要有安全可靠的能源供應作保障。我國能源資源稟賦和富煤貧油少氣的國情，決定了煤炭是中國能源安全供應的基石。黨的二十大作出“立足我國能源資源稟賦，堅持先立后破，有計劃分步驟實施碳達峰行動”“深入推進能源革命，加強煤炭清潔高效利用”等重要部署，說明煤炭在未來能源供應體系中依然扮演著重要角色，同時也為煤炭行業持續深入推進能源革命、全方位推動高質量發展指明了前進方向和發展路徑。
煤炭分質利用是根據低階煤的物質構成及其物理化學性質，采用中低溫熱解技術生產蘭炭（又稱半焦）、煤焦油和煤氣的一種煤轉化形式，是目前較切合我國國情的煤炭利用模式。陜西省榆林市是蘭炭的發源地和全國最大的蘭炭產地，目前產能已達到4000 萬噸/年，初步形成了煤—蘭炭—硅鐵—金屬鎂—航空材料、煤—蘭炭—煤焦油—燃料油、煤—蘭炭—蘭炭干餾氣—化肥（碳酸氫銨）、煤—蘭炭—蘭炭干餾氣—電力四大循環產業鏈，逐步形成了以煤炭加工利用為主的煤化工產業集群，具備了發展精細煤化工、新型材料加工利用的優勢條件。正是在此情況下，組建于2012 年的榆林學院潔凈蘭炭與污染控制創新團隊（先后獲批陜西省首批高校青年科技團隊、陜西省重點科技創新團隊）充分結合我國煤炭資源以及利用轉化技術的進展，尤其針對豐富的低變質煤生產蘭炭、焦油和高熱值煤氣的產業現狀，組織團隊成員共同努力，精心編撰了本書，以期為進一步延伸產業鏈，提高資源綜合利用率，減少環境污染提供重要的參考。
本書共分四篇，包括22章內容，主要集合了潔凈蘭炭與污染控制創新團隊近年來的研究成果，由閆龍統稿。具體內容分工如下：第一篇S J 型低溫干餾方爐的溫度與壓力場研究由范曉勇組織編寫，第二篇粉煤成型-干餾雙效黏結劑制備及作用機制由閆龍編寫，第三篇神府煤低溫定向催化熱解及機理研究由李健編寫，第四篇蘭炭廢水酚/氨組分制備多孔炭結構調控及儲電儲熱性能研究由王玉飛編寫。西北大學淡勇教授對第一篇S J 型低溫干餾方爐的溫度與壓力場研究進行了指導，中國科學院大連化學物理研究所史全研究員對第11章粉煤成型干餾的產品評價進行了指導，中國科學院上海高等研究院趙虹研究員對第12章粉煤微波熱解及制備電石性能評價進行了指導，劉倩倩參與了第14～16、19章的編寫工作，王獻杰、張裕、米文星、鐘祥等研究生參與了本書的資料收集、實驗摸索、文本輸入和校對工作；同時，在本書的編寫過程中，參考了國內外煤化工領域同行的相關著作，并得到了許多領導、老師的關心和支持，也受益于學術同仁提出的很多中肯的意見，我們在此一并表示誠摯的謝意。
本書的出版得到中國科學院潔凈能源創新研究院-榆林學院聯合基金（LLJJ10）的資助。
本書雖經多方面努力，但由于筆者水平有限，缺點和不足在所難免，敬請廣大讀者批評指正，以便再版時修訂完善。

著者

閆龍，漢族，1980年5月出生，陜西米脂人，中共黨員，三級教授、工學博士、德國耶拿大學訪問學者，榆林學院黨委委員、副院長。長期從事低階煤中低溫熱解、工業水處理、化工新材料領域的基礎與應用研究。陜西省三秦人才、陜西省青年科技新星、陜西省特支人才計劃、陜西省五一勞動獎章獲得者、榆林市十大杰出青年；教育部高等學?；ゎ悓I教學指導委員會西北區委員、中國煤炭加工利用協會蘭炭專家委員會委員、"潔凈蘭炭與污染控制創新團隊"陜西省重點科技創新團隊負責人。

本書集合了潔凈蘭炭與污染控制創新團隊近年來的研究成果，主要介紹煤炭清潔高效利用技術。全書分四篇共22章，第一篇（第1～6章）主要介紹SJ 型低溫干餾方爐的溫度與壓力場；第二篇（第7～12章）主要介紹粉煤成型-干餾雙效黏結劑制備及作用機制；第三篇（第13～16章）主要介紹神府煤低溫定向催化熱解及機理相關內容；第四篇（第17～22章）主要介紹蘭炭廢水酚/氨組分制備多孔炭結構調控及儲電儲熱性能。
本書適合從事煤炭、清潔能源等相關技術工作的人員閱讀參考，也可作為高等院校相關專業師生的參考書。

第一篇SJ 型低溫干餾方爐的溫度與壓力場研究
第1章低溫干餾方爐技術概述001
1.1低溫干餾方爐發展的背景及意義001
1.2煤低溫干餾及影響因素002
1.2.1煤化程度的影響003
1.2.2入爐煤粒徑的影響003
1.2.3壓力的影響003
1.2.4煤的水分含量003
1.2.5熱解終溫的影響004
1.2.6熄焦方法的影響004
1.3低溫干餾爐的分類004
1.3.1外熱式干餾爐004
1.3.2內熱式干餾爐005
1.4國內外煤低溫干餾研究進展005
1.4.1國內低溫干餾技術與產業發展現狀006
1.4.2國外低溫熱解技術與產業發展現狀006
1.5CFD 模擬軟件FLUENT 簡介007
1.5.1FLUENT 的軟件結構及其求解流程007
1.5.2FLUENT 在干餾爐中的研究進展007
1.6背景及主要內容008

第2章蘭炭爐物料平衡計算010
2.1工廠采集數據整理010
2.1.1干餾爐主要工藝參數010
2.1.2煤氣熱值計算011
2.1.3煤氣密度計算011
2.1.4煤氣實際燃燒量計算012
2.2蘭炭爐物料平衡收入項計算013
2.2.1入爐煤量013
2.2.2入爐煤氣量013
2.2.3入爐空氣量014
2.3物料平衡支出項計算014
2.3.1蘭炭量014
2.3.2焦油量015
2.3.3氨量015
2.3.4全煤氣量015
2.3.5水量016
2.4差值016
2.5物料平衡匯總017
2.6本章小結018

第3章蘭炭爐熱平衡計算019
3.1熱平衡收入項計算019
3.1.1煤氣的燃燒熱019
3.1.2煤氣的顯熱020
3.1.3空氣的顯熱021
3.1.4入爐煤的顯熱021
3.2熱平衡支出項計算022
3.2.1蘭炭帶走的熱量022
3.2.2焦油帶走的熱量022
3.2.3氨帶走的熱量023
3.2.4全煤氣帶走的熱量023
3.2.5水分帶走的熱量024
3.2.6爐體散熱量024
3.2.7差值025
3.3熱平衡匯總026
3.3.1熱平衡匯總表026
3.3.2熱平衡影響因素026
3.4干餾爐的熱工效率027
3.4.1熱工效率計算027
3.4.2熱工效率分析027
3.5煉焦耗熱量028
3.5.1濕煤耗熱量028
3.5.2干煤耗熱量028
3.6煤焦比（干） 028
3.7主要技術指標匯總028
3.8本章小結029

第4章SJ 型低溫干餾方爐溫度和壓力的模擬030
4.1幾何模型建立與網格劃分030
4.2數學模型的建立031
4.2.1流體流動和傳熱的控制方程031
4.2.2氣體流動模型032
4.2.3氣相燃燒模型033
4.2.4傳熱模型033
4.2.5多孔介質模型034
4.3邊界條件034
4.3.1入口邊界條件035
4.3.2出口邊界條件035
4.3.3壁面邊界條件035
4.4SJ 型蘭炭爐溫度場模擬035
4.4.1不同粒徑入爐煤縱向中心與橫向中心截面溫度場分布036
4.4.2縱向中心截面不同煤層高度的溫度分布特點040
4.4.3爐內最高溫度與粒徑的關系041
4.4.4SJ 型爐內溫度區間百分率與粒徑的關系042
4.5不同粒徑縱向中心截面壓力場分布043
4.6模擬數據與工廠試驗數據對比分析046
4.7本章小結047

第5章熄焦方式對蘭炭的特征影響分析048
5.1概述048
5.2水蒸氣熄焦工藝簡介048
5.3樣品選取及分析儀器049
5.4工業分析049
5.5強度分析050
5.6傅里葉紅外分析050
5.7拉曼光譜分析051
5.8X 射線衍射分析051
5.9孔徑、孔比表面積分析052
5.9.1等溫吸附圖分析052
5.9.2孔徑-累計比表面積分析052
5.9.3孔徑-累計孔體積分析052
5.10壓汞測試053
5.10.1孔隙率測試053
5.10.2MIP 測試蘭炭孔隙參數053
5.10.3壓汞曲線054
5.10.4孔徑分布054
5.11掃描電子顯微鏡分析055
5.12本章小結056

第6章蘭炭干熄焦過程的溫度場與壓力場分布057
6.1蘭炭干熄焦技術057
6.2建模與網格劃分057
6.3噴水后的溫度場與壓力場分布058
6.4不同熄焦水量的溫度場分布059
6.5本章小結060
本篇結論061
參考文獻062


第二篇粉煤成型-干餾雙效黏結劑制備及作用機制
第7章粉煤成型-干餾雙效黏結劑概述064
7.1概述064
7.2低階煤分級分質利用現狀065
7.2.1低階煤分級分質利用技術065
7.2.2低階煤干餾技術067
7.3低階粉煤成型干餾過程的影響因素068
7.3.1粉煤粒度068
7.3.2水分添加量069
7.3.3成型壓力069
7.3.4成型方式069
7.4黏結劑國內外研究進展071
7.4.1有機黏結劑071
7.4.2無機黏結劑071
7.4.3復配黏結劑071
7.5粉煤成型干餾過程及黏結作用機制072
7.5.1粉煤成型過程及黏結作用機制072
7.5.2型煤干餾過程及黏結作用機制073
7.6背景、意義及內容073

第8章實驗部分075
8.1實驗原料075
8.2實驗試劑與設備075
8.3樣品的測試與表征076

第9章粉煤成型干餾雙效黏結劑的制備078
9.1概述078
9.2馬鈴薯渣基黏結劑的制備及其對粉煤成型干餾的影響079
9.2.1馬鈴薯渣的預處理079
9.2.2馬鈴薯渣基黏結劑及型煤型焦的制備079
9.2.3馬鈴薯渣基黏結劑對型煤型焦抗壓強度的影響080
9.3蘭炭廢水基酚醛樹脂的引入及其對粉煤成型干餾的影響084
9.3.1蘭炭廢水基酚醛樹脂交聯劑的制備084
9.3.2引入交聯劑的黏結劑制備084
9.3.3交聯劑摻入量對型煤型焦抗壓強度的影響085
9.4金屬鎂渣的引入及其對粉煤成型干餾的影響085
9.4.1金屬鎂渣的預處理086
9.4.2金屬鎂渣中主要成分分析086
9.4.3引入金屬鎂渣及氧化物黏結劑的制備方法086
9.4.4金屬鎂渣及氧化物對型煤型焦的抗壓強度的影響086
9.5本章小結088

第10章粉煤成型干餾雙效黏結劑的作用機制研究089
10.1概述089
10.2馬鈴薯渣基黏結劑的黏結機制分析089
10.2.1官能團分析089
10.2.2微晶結構分析090
10.2.3微觀結構分析091
10.2.4熱解機理分析092
10.3引入蘭炭廢水基酚醛樹脂交聯劑的黏結機制分析094
10.3.1引入交聯劑的官能團分析094
10.3.2引入交聯劑的微晶結構分析094
10.3.3引入交聯劑的微觀結構分析095
10.3.4引入交聯劑的熱解機理分析095
10.4引入金屬鎂渣及氧化物的作用機制分析097
10.4.1工業分析097
10.4.2熱解機理分析099
10.5本章小結103

第11章粉煤成型干餾的產品評價104
11.1概述104
11.2粉煤成型干餾的TG-MS 分析104
11.2.1小分子物質104
11.2.2烴類物質104
11.3粉煤成型干餾經濟性分析106
11.3.1粉煤成型干餾黏結劑成本106
11.3.2粉煤成型干餾的財務核算106
11.3.3傳統塊煤干餾財務核算107
11.3.4粉煤成型干餾與傳統塊煤干餾財務評價對比108
11.4本章小結108

第12章粉煤微波熱解及制備電石性能評價109
12.1概述109
12.2實驗部分109
12.2.1實驗原料及準備109
12.2.2微波熱解實驗109
12.2.3樣品分析110
12.3結果與討論111
12.3.1原煤的分析111
12.3.2微波和常規熱解產物分布對比112
12.3.3微波和常規熱解氣相組成與含量對比113
12.3.4微波和常規熱解半焦對比114
12.3.5煤/CaO 混合物微波熱解三相產率和氣相產物分布117
12.3.6煤/CaO 混合物微波熱解半焦分析119
12.3.7電石性能表征121
12.4本章小結123
本篇結論124
參考文獻125


第三篇神府煤低溫定向催化熱解及機理研究
第13章神府煤低溫定向催化技術概述129
13.1研究背景129
13.2煤熱解概述130
13.2.1煤熱解的定義130
13.2.2影響煤熱解焦油收率的因素130
13.2.3煤熱解機理研究132
13.3煤的催化熱解概述132
13.4國內外研究現狀133
13.4.1催化劑研究現狀133
13.4.2煤催化熱解工藝現狀134
13.5研究內容的提出135
13.6研究的內容和意義135

第14章神府煤中低溫定向直接催化熱解及機理研究136
14.1概述136
14.2實驗部分136
14.2.1實驗原料136
14.2.2實驗裝置137
14.2.3焦油計算公式137
14.3結果與討論138
14.3.1熱解溫度對原煤出油率的影響138
14.3.2鐵鹽催化劑種類對原煤出油率的影響138
14.3.3鐵鹽催化劑的添加量對原煤出油率的影響139
14.3.4不同酸處理對原煤焦油產率的影響140
14.3.5硫酸鐵催化劑對熱解煤氣組分的影響141
14.3.6神府煤添加硫酸鐵催化劑的熱解情況分析141
14.3.7熱分析動力學方程的建立142
14.3.8焦油組分GC-MS 分析144
14.4本章小結146

第15章神府煤中低溫定向間接催化熱解及機理研究148
15.1概述148
15.2實驗部分148
15.2.1實驗原料148
15.2.2載體催化劑的制備149
15.3結果與討論149
15.3.1Ni/Co/ZSM-5 催化劑的表征149
15.3.2不同催化劑在不同條件下對熱解氣體組分的影響153
15.3.3不同催化劑在不同條件下對煤焦油組分分布的影響156
15.4本章小結158

第16章神府煤中低溫直接間接協同催化熱解研究160
16.1概述160
16.2實驗部分161
16.3結果與討論161
16.3.1熱解溫度對煤氣組分分布的影響161
16.3.2催化劑添加量對煤氣組分分布的影響162
16.3.3硫酸鐵的質量分數對煤氣組分分布的影響162
16.3.4熱解溫度對焦油組分分布的影響163
16.3.5催化劑添加量對焦油組分分布的影響163
16.3.6硫酸鐵的質量分數對焦油組分分布的影響164
16.3.7響應曲面設計165
16.3.8響應曲面模型及回歸方程顯著性檢驗165
16.3.9響應曲面法優化分析166
16.3.10驗證實驗169
16.4本章小結169
本篇結論171
參考文獻173


第四篇蘭炭廢水酚/氨組分制備多孔炭結構調控及儲電儲熱性能研究
第17章蘭炭廢水酚/氨組分制備多孔炭技術概述177
17.1蘭炭廢水概述177
17.1.1蘭炭廢水的來源177
17.1.2蘭炭廢水的水質特征和危害178
17.1.3蘭炭廢水的處理方法178
17.2酚醛樹脂概述179
17.2.1酚醛樹脂簡介179
17.2.2酚醛樹脂的應用180
17.3酚醛多孔炭概述182
17.3.1酚醛多孔炭簡介182
17.3.2酚醛多孔炭的制備183
17.3.3酚醛多孔炭的應用184
17.4國內外研究現狀185
17.5研究內容及技術路線187
17.5.1研究內容187
17.5.2技術路線188

第18章實驗部分189
18.1實驗原料189
18.2試劑與儀器189
18.3分析測試方法191
18.3.1蘭炭廢水水質分析方法191
18.3.2酚醛樹脂的表征方法193
18.3.3酚醛多孔炭的表征方法196
18.3.4酚醛多孔炭的電化學性能測試197
18.3.5熱化學性能測試198

第19章蘭炭廢水資源化制備酚醛樹脂研究200
19.1實驗過程200
19.2蘭炭廢水的水質分析200
19.3制備條件對酚醛樹脂質量的影響204
19.3.1廢水pH 值對合成酚醛樹脂質量的影響204
19.3.2反應時間對合成酚醛樹脂質量的影響204
19.3.3反應溫度對合成酚醛樹脂質量的影響205
19.3.4甲醛加入量對酚醛樹脂質量的影響205
19.3.5響應曲面法優化酚醛樹脂的制備條件206
19.4蘭炭廢水衍生酚醛樹脂的性能和組分表征210
19.4.1酚醛樹脂固含量的測定210
19.4.2酚醛樹脂殘炭率的測定211
19.4.3酚醛樹脂凝膠時間的測定211
19.4.4酚醛樹脂黏度的測定211
19.4.5酚醛樹脂游離酚的測定212
19.4.6酚醛樹脂游離醛的測定213
19.4.7酚醛樹脂紅外光譜表征213
19.4.8酚醛樹脂SEM 表征214
19.4.9酚醛樹脂TG-DSC 表征214
19.4.10酚醛樹脂XPS 表征215
19.5蘭炭廢水衍生酚醛樹脂規?；苽涮剿?16
19.5.1蘭炭廢水基酚醛樹脂試驗放大及經濟評價216
19.5.2蘭炭廢水制備酚醛樹脂后的水質分析217
19.6蘭炭廢水中酚/氨組分的轉化機制及產物熱解動力學219
19.6.1酚醛樹脂與烏洛托品的制備220
19.6.2單酚酚醛樹脂的表征及熱解動力學研究220
19.6.3混合酚酚醛樹脂的表征及熱解動力學研究224
19.6.4單銨/混銨烏洛托品的表征及熱解動力學研究226
19.7本章小結229

第20章KOH 活化對酚醛多孔炭結構及性能調控230
20.1實驗流程230
20.2制備條件對酚醛多孔炭性能的影響231
20.2.1堿脂比對酚醛多孔炭性能的影響231
20.2.2炭化-活化溫度對酚醛多孔炭性能的影響231
20.2.3恒溫時間對酚醛多孔炭性能的影響232
20.2.4KOH 活化酚醛樹脂制備多孔炭的響應曲面優化232
20.3KOH 活化后酚醛多孔炭的結構變化239
20.3.1KOH 活化后酚醛多孔炭的X 射線衍射和拉曼分析239
20.3.2KOH 活化后酚醛多孔炭形貌及雜原子分布分析239
20.3.3KOH 活化后酚醛多孔炭的比表面積分析240
20.4KOH 活化后酚醛多孔炭N/O/S 元素變化241
20.5KOH 活化后酚醛多孔炭的電化學性能變化242
20.6KOH 對蘭炭廢水基酚醛樹脂的活化造孔機制245
20.6.1KOH 活化過程中單酚對酚醛多孔炭的貢獻246
20.6.2KOH 活化酚醛樹脂的熱分析及其對多孔炭的造孔機理247
20.6.3KOH 活化烏洛托品的熱分析及其對多孔炭的造孔機理250
20.6.4KOH 活化混合酚銨樹脂的熱分析及其對多孔炭的造孔機理251
20.6.5KOH 活化過程中酚/氨組分對多孔炭孔道貢獻253
20.7KOH 活化對酚醛多孔炭結構及電化學性能的作用機理258
20.8本章小結259

第21章Na2CO3 活化對酚醛多孔炭結構及性能調控261
21.1實驗流程261
21.2制備條件對酚醛多孔炭性能的影響262
21.2.1活化劑對酚醛多孔炭吸附性能的影響262
21.2.2鹽脂比對酚醛多孔炭性能的影響263
21.2.3炭化-活化溫度對酚醛多孔炭性能的影響263
21.2.4炭化-活化時間對酚醛多孔炭性能的影響264
21.2.5Na2CO3 活化酚醛樹脂制備多孔炭的響應曲面優化264
21.3Na2CO3 活化后酚醛多孔炭的結構變化271
21.3.1酚醛多孔炭XRD 和拉曼分析271
21.3.2Na2CO3 活化后酚醛多孔炭形貌及雜原子分布分析271
21.3.3酚醛多孔炭BET 分析272
21.4Na2CO3 活化后酚醛多孔炭的N/O/S 元素變化273
21.5不同酚醛多孔炭的雜原子比較研究274
21.6Na2CO3 活化后酚醛多孔炭的電化學性能變化275
21.6.1溫度對酚醛多孔炭電化學性能的影響276
21.6.2最優條件所制酚醛多孔炭的電性能測試277
21.7Na2CO3 對蘭炭廢水基酚醛樹脂的模板/活化雙重造孔機制278
21.7.1Na2CO3 活化對酚醛多孔炭性能的影響278
21.7.2Na2CO3 活化酚醛樹脂的熱分析及其對多孔炭的造孔機理280
21.7.3Na2CO3 活化烏洛托品的熱分析及其對多孔炭的造孔機理282
21.7.4Na2CO3 活化混合酚銨樹脂的熱分析及其對多孔炭的造孔機理283
21.7.5Na2CO3 活化過程中酚/氨組分對多孔炭孔道貢獻285
21.8Na2CO3 活化對酚醛多孔炭結構及電化學性能的作用機理290
21.9本章小結291

第22章酚醛多孔炭相變復合材料制備及儲熱性能研究292
22.1概述292
22.2酚醛多孔炭相變復合材料制備292
22.3酚醛多孔炭形貌結構表征292
22.4相變復合材料的表征與分析295
22.4.1形貌結構分析295
22.4.2泄漏測試296
22.4.3熱化學性能分析297
22.4.4光熱轉換應用299
22.5本章小結300
本篇結論301
參考文獻303