煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2020年第4期

• 基于多传感器的采煤机滑靴受力检测系统研究

  田立勇, 李文政, 隋然,

  采煤机实际运行过程中工况环境恶劣，滑靴作为连接采煤机与刮板输送机的重要部件，在剧烈的非线性冲击载荷下极易损坏，直接影响采煤机工作效率，降低煤矿井下生产效益。为研究斜切工况下采煤机滑靴力学特性，以MG500/1130-WD型电牵引采煤机为研究对象，构建斜切工况下采煤机整机空间力学模型。根据煤岩截割理论，结合煤岩性质与采煤机结构参数，利用Matlab求解计算采煤机滚筒截割载荷与滑靴各接触载荷，提出一种基于平滑靴销轴传感器、导向滑靴销轴传感器、导向滑靴销轴拉力传感器等多传感器融合的采煤机滑靴受力检测系统，并依托国家能源煤矿采掘机械装备研发试验中心进行现场实验验证。实验结果表明:采煤机工作过程中，同种滑靴受力大小基本相同，后侧滑靴所受载荷略大于前侧滑靴所受载荷，平滑靴支撑力大于导向滑靴支撑力且导向滑靴轴向载荷明显大于竖直方向载荷。实验过程中滑靴最大载荷出现在斜切进刀阶段，受刮板输送机位姿、落煤等因素影响，实验值均大于理论值。利用Solidworks建立滑靴三维模型，将现场实验数据导入ANSYS对滑靴进行有限元仿真分析，得到采煤机滑靴最大斜切受载下的应力云图与位移云图，为滑靴结构优化提供基础。

• 基于NMPC的地下无人铲运机反应式导航系统

  罗维东, 马宝全, 孟宇, 刘立, 顾青, 白国星, 甘鑫,

  针对地下无人铲运机反应式导航存在的转向与回正滞后、对宽度变化的弯道适应性较差等问题，提出了基于非线性模型预测控制(NMPC)的反应式导航系统，其中设计了基于NMPC算法的反应式导航运动控制器，并针对NMPC控制器所需要的局部参考路径，提出了一种分段式局部路径决策策略与之相匹配。NMPC控制器的设计包括采用欧拉法推导地下铰接式铲运机的非线性预测模型，然后设立基于铲运机约束条件的优化目标函数进行最优控制序列求解。分段式局部路径决策策略则是将地下巷道拟合分为多种典型作业环境并分别在不同环境下提出相应的决策策略，在铲运机行驶中根据预测时域内的巷道环境信息实时调整局部参考路径，然后将局部参考路径信息提供给NMPC控制器并进行跟踪。通过仿真实验设置不同仿真环境对本文提出的反应式导航系统进行验证并与基于线性时变模型预测控制(LTV-MPC)的反应式导航系统进行对比，仿真效果表明，本文提出的地下无人铲运机反应式导航系统能够在较窄的巷道内实现自主导航，并且能够适应宽度变化的巷道，在多种仿真巷道环境中铲运机与巷道壁的距离最小值为0.73m，且航向误差能够在5s内由0.89rad收敛至稳定状态，稳态误差趋向于0.001rad，铰接角输出较为平顺，提高了地下巷道弯道处参考路径的安全通过性和铲运机对宽度变化的巷道的适应性。

• 新疆气化用煤煤质特点及结渣性研究

  毛燕东, 怀俊天, 芦涛, 刘雷, 李克忠,

  新疆煤炭储量丰富，煤质反应活性高，适用于煤电、煤化工生产。煤催化气化技术，作为先进的第3代气化技术，是煤制天然气最有效的工艺途径之一。本研究在新疆伊犁及准东煤化工基地选取6种典型煤种，研究其煤质属性，考察其作为催化气化用煤的适用性。在催化气化工况气氛下利用压差法烧结温度测定装置对各煤灰进行初始烧结温度测试，并结合XRD及Factsage热力学软件计算结果，推测灰中矿物质间的反应及矿物的转变特性，研究矿物质变迁规律，探索结渣性及结渣机理。结果表明，所选地区煤种的煤灰中因难熔化合物氧化铝较低、碱性化合物高，总体灰熔点不高，对于采用固态排渣形式的煤气化工艺具有相对较高的结渣风险。所选煤种总体灰熔点较低，具有高钾钠、低铝特点的准东煤(西黑山、大井矿)更易结渣，用于催化气化工艺结渣风险高。哈密广汇煤具有相对高的熔融温度，作为催化气化工艺用煤结渣较小。负载碳酸钾催化剂后，煤灰烧结温度发生了大幅降低;而钙催化剂添加对烧结温度的影响，受煤种灰成分影响较大。煤灰中硅含量高，添加K催化剂会进一步加剧结渣风险;对于铁含量高的煤，在还原性气氛下，添加K、Ca催化剂均存在较大结渣风险。对于灰分低的煤种，碳酸钾催化剂添加对煤灰熔点及烧结温度影响较大;催化气化工况气氛下，煤灰中硅、铁、钙矿物质的存在使结渣加剧。

• 微波辅助铁催化低阶煤热解特性

  刘淑琴, 脱凯用, 王莉萍, 陈钢,

  微波加热技术具有快速均匀、选择性加热和安全环保的优势，为煤炭高效分级转化利用提供了新途径。为研究微波辅助兼具介电响应和催化性能的金属组分Fe对低阶煤热解产品分布、气相组成及半焦碳微晶结构和介电性能的影响，在微波管式炉上对酸洗后负载不同量Fe的华夏低阶煤进行了催化热解实验。借助向量网络分析仪、XRD、FT-IR、Raman和SEM表征了不同Fe负载量煤样微波热解半焦的物化性质。结果表明:Fe催化剂有效强化了煤样对微波的介电损耗，能够显著提高升温速率使得煤样在短时间内即可达到热解终温。微波优先与Fe催化剂作用可高效诱发煤大分子有机质催化裂解反应的发生，使得合成气(CO+H2)产量由酸洗煤样的221mL/g明显提高至负载1%，3%和5%Fe煤样的273,394和457mL/g。金属组分Fe的引入明显增大了热解半焦的介电损耗因子ε″r和损耗角正切值tanδ，进而充分增强了半焦以热能形式耗散微波能的能力。微波辅助Fe催化剂抑制了半焦基本结构单元横向的内部生长和纵向的结合缩聚，增大了芳香碳网的不规整度，促进了碳骨架结构中小芳香环体系和无定形碳含量的提升，将有利于增强半焦的气化反应活性。此外，微波辐照下Fe催化剂的引入有助于半焦孔隙结构的构筑，促进了半焦表面形态由平滑致密层状向疏松多孔状的发展。

• 煤粉掺混煤液化残渣萃余物的气力输送压降特性研究

  方薪晖, 安海泉, 刘臻, 李烨, 冯子洋, 彭宝仔, 王永刚,

  为研究煤直接液化残渣萃余物与煤混合后的气力输送压降特性，本文在最大操作压力6MPa，输送管道内径DN25和DN15的气力输送装置上，针对两种粉体M1(煤粉)和M2(煤粉掺混20%萃余物的混合粉体)展开了多工况的实验研究。结果表明:掺混萃余物会导致水平直管的压降大小和压降波动性增大，且在低气速区域该现象更为明显;采用水力光滑管计算公式来计算气相摩擦因数，当表观气速大于8m/s时，压降计算值与实验值有较大误差，通过最小二乘法对气相压降进行优化计算后，得到DN25和DN15管道的壁面粗糙度分别为0.015mm和0.013mm，气相压降计算误差小于10%;通过量纲分析法得到颗粒相摩擦因数模型,M1和M2的压降计算值与实验值误差在30%以内;在低弗洛德数(Fr)下，M2的颗粒相摩擦因数明显高于M1，而随着Fr的增大，两者则趋向一致;气相压降是总压降中不可忽略的一部分，随着表观气速的增大，颗粒相压降占比逐渐减小;随着固气比的增大，颗粒相压降逐渐增大。

• 煤炭开采导致的农田生态系统固碳损失评估

  田惠文, 张欣欣, 毕如田, 朱洪芬, 席茜,

  煤炭开采活动损坏了原生地貌和地表植被，造成了矿区及其周边环境的破坏，引起植被-土壤碳汇量减少，导致了农田生态系统碳储量的大量流失。为了量化煤炭开采对矿区农田的生态影响范围，评估矿区农田生态系统固碳损失，本研究以长河流域矿区为例，构建了一种估算煤炭开采导致农田生态系统固碳损失的方法。利用矿区数据、遥感数据、气候数据、地理数据等确定农田直接受损区和参照区，通过测算直接受损区周边归一化植被指数(NDVI)的变化趋势确定间接受损区;采用增强自适应的遥感图像时空融合方法(ESTARFM)和CASA模型计算农田植被固碳量，实地采样并测试了农田土壤有机碳;结合矿区土地利用变化计算矿区农田生态系统固碳损失量。结果表明:2000—2015年，长河流域矿区因煤炭开采导致的农田直接受损面积为5.06km2，间接受损面积为18.99km2;矿区农田植被固碳量为3936.16t/km2，土壤碳储存量为6737.05t/km2;矿区农田生态系统固碳总损失量为30737.68t，其中直接受损区固碳损失量占总损失的42.12%，间接受损区固碳损失量占总损失的57.88%，表明间接受损区也应纳入煤炭开采导致的生态破坏的评估中;煤炭开采对矿区农田生态系统固碳量的影响属于失碳效应。

• 活化过硫酸铵溶液对煤样氧化增透的实验研究

  杨娟, 许思雨, 戴俊, 魏建平, 王云刚,

  为提高过硫酸铵(APS)水溶液氧化增透煤样的效果，采用自制的非均相钴基活化剂(Co-NCP)活化过硫酸铵对长焰煤、焦煤、无烟煤3种不同变质程度的煤样进行氧化改性，系统研究了Co-NCP/APS体系改性对煤样表面接触角θ(润湿性)、孔隙结构、气体吸附常数、瓦斯放散初速度及渗透率的影响规律。实验结果表明:经过Co-NCP/APS体系处理可显著降低煤表面接触角θ与吸附甲烷能力，改性后长焰煤、焦煤、无烟煤的吸附常数a值降幅分别为16.15%,10.21%,6.03%，b值降幅分别为44.97%,41.10%,28.32%，瓦斯放散初速度降幅分别为49.19%,33.33%,12.55%。同时，经Co-NCP/APS体系处理能改变煤样的孔隙结构，改性后煤样的孔隙度增大，其中大、中孔的孔容占比增加，小、微孔孔容占比减少，对于长焰煤、焦煤、无烟煤的孔隙度增幅分别为43.50%,35.50%,12.54%，孔容增幅分别为56.02%，45.54%，20.08%。活化的过硫酸铵体系可原位生成大量具有强氧化能力的硫酸根自由基(SO·-4)，能对不同变质程度的煤样表面实现氧化溶蚀，使煤孔隙中有机小分子相被部分氧化溶出，疏通了被小分子物质占据或封堵的孔道，使煤样孔隙连通性变好;同时，产生大量新的裂隙与孔洞，表明煤样经Co-NCP/APS体系处理能起到“增孔”、“扩孔”、“疏孔”的作用，且对变质程度越低的煤样氧化增透效果越明显，处理后长焰煤、焦煤、无烟煤的渗透率平均增幅分别为620.15%,541.02%,334.42%。可见，非均相钴基活化剂活化过硫酸铵溶液能氧化改性不同变质程度的煤样，显著降低煤样的亲甲烷能力，改善煤体内孔隙连通性与瓦斯在煤体中的流动性，使得煤体赋存瓦斯能力显著降低，为过硫酸铵水溶液对煤层增透方面的应用提供理论依据和实验支撑。

• 峰峰矿区2号煤中微量元素富集特征差异性研究

  魏迎春, 华芳辉, 何文博, 宁树正, 张宁, 秦云虎, 曹代勇,

  为探讨煤中锂元素及稀土元素赋存状态和同一煤层不同矿井间煤中微量元素的差异性及其控制因素。以峰峰矿区的梧桐庄矿和九龙矿山西组2号煤为研究对象，通过反射光显微镜、原子吸收光谱仪(AAS)及X射线荧光光谱仪(XRF)、电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)、带能谱的扫描电镜(SEM-EDS)等分析测试方法，对比分析了两煤矿2号煤中煤质及微量元素富集特征，研究了2号煤中Li及稀土元素(REY)的赋存状态，探讨了2号煤微量元素富集特征的差异性及其影响因素。研究结果表明，九龙矿2号煤层样品中微量元素含量整体比梧桐庄矿高，梧桐庄矿和九龙矿2号煤中Li元素平均含量分别为49.8μg/g和64.3μg/g，稀土元素平均含量分别为68.8μg/g和130μg/g。梧桐庄矿2号煤中Li元素和REY元素主要赋存于煤的有机质中;而九龙矿2号煤中Li元素主要赋存于高岭石和伊利石等黏土矿物中，REY元素主要赋存于独居石、黄铁矿和黏土矿物中。峰峰矿区2煤的沉积物源和沉积环境控制了其微量元素分布的总体特征，而燕山期岩浆热液作用导致2号煤层中微量元素在矿区南部的梧桐庄矿和矿区中部的九龙矿的差异。岩浆热液作用主要引起煤中Li,Nb,Pb,Ta,Th,Y，La,Sm,Ce,Er,Yb元素富集，其余微量元素没有明显变化。尤其是稀土元素和Li元素受岩浆热液影响含量增加，峰峰矿区九龙矿比梧桐庄矿2号煤中Li元素平均含量高14.5μg/g，稀土元素平均含量高61.2μg/g。梧桐庄矿2号煤中只有Li元素表现为轻微富集，而九龙矿2号煤中Li元素表现为富集，Nb,Pb,Ta,Th元素和稀土元素中Y,La,Er表现为轻微富集。

• 渤海湾盆地上古生界泥岩地球化学特征

  侯中帅, 陈世悦, 桑树勋, 林会喜, 楼达,

  为了明确渤海湾盆地上古生界泥岩中微量元素及稀土元素的特征及其地质意义，应用电感耦合等离子质谱法对渤海湾盆地36个泥岩样品的微量元素及稀土元素进行测试，同时结合露头、岩芯、薄片、全岩X射线衍射和黏土矿物X射线衍射等观察分析，对研究区上古生界泥岩的发育特征、岩石成分、微量元素和稀土元素参数和空间分布规律、沉积水体的古盐度、物源区特征、沉积速率和层序地层意义进行了探讨。研究表明:渤海湾盆地上古生界泥岩微量元素含量与上地壳相似，稀土元素相对富集，轻重稀土间分异特征明显;杂色泥岩遭受了风化淋滤作用的改造，岩性为铝土岩或铝土质泥岩，岩石中的微量元素和稀土元素发生了活化迁移导致参数表现出异常值，沉积时的元素信息已被破坏;从本溪组到山西组，泥岩中稀土元素含量不断升高，下石盒子组较山西组降低，从下石盒子组到上石盒子组奎山段，泥岩中稀土元素含量逐渐升高;Sr/Ba比值反映了晚古生代海侵作用由发展到衰退的过程以及间歇性的海泛作用;物源区构造背景具有活动大陆边缘的特征，岩性以沉积岩、花岗岩和碱性玄武岩为主，地层时代具有先变老后变新的特点;沉积速率由本溪组至上石盒子组奎山段逐渐升高;下石盒子组顶部杂色泥岩中微量元素Sc,Co,Ni,Rb,Sr,Ba含量和∑REE表现出异常低值，反映了大面积的沉积间歇作用，其顶面可以作为层序界面。

• 川东地区海陆过渡相泥页岩地球化学特征及吸附性能

  曹涛涛, 曹清古, 刘虎, 邓模, 刘光祥,

  川东地区龙潭组/吴家坪组发育一套海陆过渡相泥页岩，其含气性特征及控制因素研究薄弱，制约着页岩气的勘探和研究。通过对泥页岩开展地球化学、储层孔隙类型、孔隙结构参数和甲烷吸附等测试，分析了有机碳含量等参数对吸附能力的影响。结果表明，自川东南龙潭组至川东北吴家坪组，富有机质泥页岩形成的环境依次为滨岸沼泽、潮坪泻湖、浅水陆棚相和深水陆棚。龙潭组岩性主要为泥岩、粉砂岩和煤层，有机碳含量较高，多在2%以上;矿物组成以黏土矿物为主，平均含量在42%～70%，随沉积环境变化，黏土矿物组合面貌由以伊蒙混层+高岭石+伊利石为主转变为伊蒙混层+伊利石为主;吴家坪组岩性为硅质页岩和灰岩，有机碳含量为6.56%～7.15%;矿物组成主要为石英，其次为黏土矿物和方解石。龙潭组泥页岩干酪根类型为III型，有机质孔在镜质体和惰质体中发育较差、黏土矿物孔为优势孔隙类型;吴家坪组有机质为Ⅱ1型，有机质孔为主要的孔隙类型，主要发育在腐泥质和固体沥青中。采用三元Langmuir模型对过剩吸附曲线进行校正后，在＞5MPa时，绝对吸附量明显高于过剩吸附量。龙潭组泥页岩的兰氏体积普遍较高，介于2.19～6.2450px3/g，吴家坪组泥页岩的兰氏体积为2.08～3.2400px3/g，龙潭组泥页岩较高的兰氏体积与其较高的比表面积有关。TOC含量和黏土矿物含量是龙潭组/吴家坪组泥页岩兰氏体积的主控因素。由于这两套泥页岩中有机质孔发育存在显著差异，有机质对甲烷的吸附方式可能明显不同。吴家坪组泥页岩中有机质通过提供大量的吸附位点促进甲烷吸附，而龙潭组Ⅲ型干酪根表面吸附及长链结构线性分配提高了甲烷吸附能力。海陆过渡相页岩中富黏土矿物的吸附作用使其吸附能力显著增加，陆源碎屑石英含量的增加会降低泥页岩的吸附能力。

• H2S水溶液对低阶煤孔隙结构影响的实验研究

  程晓茜, 田继军, 王海超, 张玉垚, 郝慧丽, 张治恒,

  基于新疆诸多低阶煤矿(井)区煤层、煤系水中硫化氢(H2S)含量较高的特殊地质现象，以沙尔湖煤矿低阶煤为研究对象，采用样品制备—酸化前高压压汞和场发射扫描电镜实验—H2S水溶液配置—样品浸泡酸液—酸化后高压压汞和场发射扫描电镜实验的实验步骤，物理模拟了H2S水溶液与煤岩体的酸化作用过程，对比研究了H2S水溶液酸化前后低阶煤孔隙结构的变化规律。研究表明:H2S水溶液酸化后煤样孔隙体积增大，增幅达23.09%，其中大孔体积增幅达66.10%，中孔体积增大4.86%，孔隙连通性明显改善;酸化前后孔隙类型均以开放孔为主，酸化后开放孔体积明显增大，增幅达21.18%;酸化前后总孔比表面积变化不大，微孔和过渡孔的孔比表面积增幅分别为0.42%和1.37%，大孔的孔比表面积增大60.00%;H2S水溶液酸化后，热力学模型的分形维数减小，表明孔隙表面变平滑，Menger海绵模型的分形维数增大，表明煤样孔隙空间形态及结构变复杂。H2S水溶液对煤孔隙结构的改善机理主要体现在两个方面:一方面是酸化作用引起碳酸盐岩类矿物与酸液发生溶蚀作用，导致充填于孔隙中的碳酸盐类矿物被溶蚀，从而产生孔隙体积增大的正效应;另一方面是酸化作用导致煤中黏土矿物等膨胀、分散，生成的细小颗粒堵塞孔隙，造成孔隙体积减小的负效应。但总体上溶蚀作用产生的正效应大于堵塞孔隙产生的负效应，从而使得H2S水溶液酸化后总孔隙体积增大，孔隙连通性得以改善。

• 潞安矿区3号煤储层现代地应力特征及地质意义

  曹腾飞, 杨兆彪, 崔宝库, 郝少伟,

  基于潞安矿区19组注入压降试井数据，系统分析了该区现代地应力平面及垂向分布特征，探讨了现代地应力对煤储层渗透率的控制作用。研究结果表明:潞安矿区3号煤储层整体为中-低应力区，应力场类型在垂向上呈非均匀分布，埋深400~610 m区域为走滑断层应力场(σH＞σv＞σh);埋深610~800 m区域为正断层应力场(σv＞σH＞σh)。潞安地区现代地应力场测压系数与埋深关系的关系式为:131.67/H+0.165 9≤K≤544.72/H+0.238 0，整体表现为“浅部离散，深部收敛”的特征。煤储层渗透率与水平主应力、水平主应力差和有效应力密切相关。煤储层渗透率与最大/最小水平主应力及其应力梯度存有较好的幂函数关系，煤储层渗透率都随最大、最小水平主应力及其应力梯度的增加而快速减小。水平主应力差通过控制煤储层裂隙开合来影响渗透率，当矿区应力场最大主应力方向与煤储层优势裂隙组发育方向一致时，煤储层中的裂隙受拉张作用，煤储层渗透率提高;当矿区应力场最大主应力方向与煤储层优势裂隙组发育方向不一致时，煤储层中的裂隙受到挤压，煤储层渗透率降低。因此，二岗山、文王山断层之间区域渗透率普遍高于二岗山、文王山断层之外区域渗透率。煤储层渗透率随有效应力的增加呈指数降低。在同等条件下，煤储层压力高的地区，有效应力低，渗透率一般较高;煤储层压力低的地区，有效应力高，渗透率一般较低。潞安矿区3号煤储层压力状态整体呈低压的特点可能是该区渗透率低，煤层气产气量不高的重要影响因素之一。

• 超临界CO2作用下煤体膨胀变形理论模型

  孙可明, 李天舒,

  为探讨利用超临界二氧化碳提高低渗透煤层气采收率过程中的煤体膨胀变形规律，解决传统吸附理论以绝对吸附量为基础建立的理论模型在超临界状态下不再适用的问题，根据Elliott-Suresh-Donohue状态方程及简化局部密度模型确定了超临界二氧化碳作用下煤体的过剩吸附量。基于热力学理论和吸附体系的内能关系得出煤体吸附超临界二氧化碳产生的膨胀体积应变，同时考虑温度及孔隙压力作用下煤体的体积应变，建立了超临界二氧化碳作用下煤体膨胀变形理论模型，该模型包括温度应变和孔隙压力产生的应变及吸附应变效应。通过编程计算得出温度变化范围从303.15~330.65 K，孔隙压力变化范围从7.5~9.5 MPa的不同温压条件下理论模型的数值解，并将该数值解与自主研发的具有施加热流力载荷功能的膨胀体积应变测试装置的测量结果进行对比分析，结果表明:理论模型计算数据与试验数据吻合度较高;以过剩吸附量为基础建立的理论模型能较好地反映不同温压条件超临界二氧化碳作用下的煤体膨胀变形规律;超临界二氧化碳作用下，煤体体积应变随超临界温度和超临界孔隙压力变化均呈“S型”Logistic函数规律变化。在利用超临界二氧化碳提高煤层渗透性时，根据膨胀曲线选择合适的超临界温压条件，避免煤体膨胀对煤层渗透性的不利影响。

• 煤系非常规天然气合采地质基础理论进展及展望

  李勇, 王延斌, 孟尚志, 吴翔, 陶传奇, 许卫凯,

  煤层气、煤系页岩气和煤系致密气在国内外多个盆地中同时赋存，分别实现了勘探开发，但是多层/多种非常规天然气同井筒开发仍未系统实施。实现多气协同开发，将大幅提高地下资源可动用率和开发经济效益。本文系统总结国内外典型盆地煤系气生烃演化、气藏赋存、储层物性和产出机理方面的进展和认识，以期为非常规天然气多气合采提供理论和方法借鉴。主要进展包括:① 煤系生烃超压或微裂缝沟通是气体运移、聚集的必要条件;② 煤系含气系统呈现箱式封存、连续运聚、动态转化、定向聚散的特点;③ 岩层组合、应力场、温度场、含气性等静态地质参数决定可采性，单层/多层相渗、储层压力、供液能力等动态参数决定产出效果;④ 物理实验和数值分析可模拟理想地质条件下的合采干扰因素，储层压力和渗透率是影响排水期和气水同产期渗流的主要因素;⑤ 合理的排水采气工艺和科学控制采气速度，可适当避免或控制层间和井筒内的干扰。后续研究的核心是“地质+工程”甜点区优选，需要解决的关键问题包括:① 叠置多类型气藏在地质演化过程的动态运聚过程，优势储层的形成与界定准则;② 煤系内复杂的气水分布关系和流体压力系统，如何保证增产改造措施的有效性和科学监测;③ 多层合采排采控制制度及产能预测方法。在具体工作中查明“煤系沉积—储层演化—生烃运聚—气水赋存”的动态耦合过程，围绕“开发地质选区—钻完井与储层保护—增产改造—合采制度及产能预测”进行攻关。根据不同地区煤系非常规天然气的共生特点，选择合适的技术实现同井筒合采，有助于提高经济效益和资源动用率。

• 煤自然发火过程颗粒堆积体结构形态演化试验研究

  梁运涛, 辛全昊, 王树刚, 胡沛裕, 蒋爽, 宋双林,

  在煤炭开采、储存及运输过程中，煤炭常以颗粒堆积体的形式暴露于氧化环境之中，煤颗粒堆积结构直接影响了堆积体内高温火源的形成与蔓延规律，是形成非控制灾害的关键影响因素之一。煤自然发火过程中堆积结构形态演化规律研究对煤堆内高温火源预测及煤矿火灾防控具有重要意义。以马道头矿8404工作面的煤样为研究对象，制备了5组不同氧化温度下的堆积试样，利用微焦显微Computed Tomography (CT)实验平台对试样进行显微断层扫描。获得显微断层CT图像序列后，采用几何均值滤波算法与大津算法 (Otsu Method)对显微断层序列进行图像处理，降低原始图像中的噪声并将其转化为二值图像序列。基于处理后的二值图像序列，应用三维重构算法重构了各组试样堆积结构。定量分析了煤颗粒堆积体孔隙率、颗粒体积、颗粒表面积等结构参数的演化规律。研究结果表明:随着氧化温度升高，煤颗粒堆积体孔隙率、颗粒数量与平均颗粒比表面积增大，平均颗粒体积与表面积减少，其中300～400 ℃温度段的变化最明显，300 ℃与400 ℃时堆积结构内平均颗粒体积分别为14.95与2.50 mm3;平均颗粒表面积为36.17与9.13 mm2;煤颗粒堆积体孔隙率变化与煤颗粒形态变化有关，实验煤样两者变化阈值均在300 ℃附近，当氧化温度高于此阈值时，煤颗粒堆积体内颗粒裂解加剧，孔隙结构连通性提高，氧化过程更加剧烈。

• 突出过程中煤层及巷道多物理场参数动态响应

  周斌, 许江, 彭守建, 闫发志, 杨威, 程亮, 杨文健,

  为进一步认识煤与瓦斯突出发生机理及致灾机制，运用自主研发的多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统，针对中国重庆水江煤业(集团)有限责任公司水江煤矿K1煤层回采工作面的实际情况，开展了预定瓦斯压力2.0 MPa下的突出过程中的煤层及巷道内的动态响应试验研究。分析了突出过程中煤层内的瓦斯压力和温度，巷道内两相流的运动形态、冲击力和温度的变化规律。结果表明:突出过程中图像信息的灰度值变化能够反应煤与瓦斯突出过程中固相煤粉流的运动情况，固相煤粉在突出过程中存在振发特性及二次加速特征;煤粉的二次加速，意味着该处能量的集中，气相曳力增加;煤层瓦斯压力下降过程中存在“壅塞”现象，表现为瓦斯压力下降过程中的阶段性起伏，且该现象是突出振发特性的本质;地应力值越大，瓦斯压力和煤体温度的下降速度越快，且温度的变化与瓦斯压力的变化存在一致性，突出过程中煤体的温度下降量可达8 ℃;突出启动后，巷道内前期以弱扰动为主，距工作面5 044 mm才会出现较强的叠加扰动，随后，扰动呈现周期性升降，直至能量衰减至0;突出后期，虽然瓦斯膨胀能已不足以将煤体抛出孔洞，但是依然有大量瓦斯气体持续解吸，因此，突出的发展阶段还应包括后期的单相瓦斯气体的持续解吸和运移。

• 基于正交异性板模型的煤矿地下水库人工坝体结构优化

  方志远, 鞠金峰, 曹志国, 王晓振, 许家林,

  大柳塔煤矿地下水库人工坝体一般由挡水坝墙和一个与其平面垂直的支撑墙组成，坝体结构稳定可靠但强度富余系数过大，因而存在可优化的空间。挡水坝墙承载性能主要与其骨架结构和厚度有关，由于其骨架结构的等效配筋率已接近规范要求的最小值，因此可通过改变其厚度来进行坝体结构优化。利用正交异性板模型对坝墙在水压与上覆垂直载荷共同作用下的极限承载性能进行了分析，结果表明:随着上覆垂直载荷的不断增大，坝墙极限水头值会不断减小，坝墙稳定性会由外表面强度控制逐渐转变为由内表面强度控制，且该变化的转折点出现的时间受坝墙厚度影响，坝墙厚度越小，转折点出现的时间越早;若在水库服务期间，水库储水水位一直保持不变且上覆垂直载荷不断增大，则坝墙内外表面会先后发生破坏，且其破坏的先后次序会受水库储水水位的影响，当水库储水水位高于转折点对应的极限水头值时，则坝墙内表面先发生破坏，外表面后发生破坏，反之则坝墙内表面先发生破坏，外表面后发生破坏;储水水位越低，坝墙表面发生破坏所需的时间越长，坝墙的长期稳定性越好;根据大柳塔煤矿地下水库日常储水高度及坝墙上覆垂直载荷的变化范围，得出现有人工坝体结构中的支撑墙可去除，且其中的坝墙厚度可减小至0.6~0.7 m范围内，从而节省材料，提高坝体建设经济性。

• 3种砂岩变形与强度特征对比分析

  王云飞, 宿辉, 王立平, 焦华喆, 李震,

  为了明确3种砂岩力学行为的差异及产生差异的内在原因，利用RMT-150B岩石力学试验系统对3种砂岩进行了三轴试验，分析了3种砂岩的变形、强度和破坏特征。试验结果表明:白砂岩和红砂岩的屈服特征明显，塑性变形显著，随着围压的增大，屈服段逐渐增长，黄砂岩屈服特性不明显且受围压影响较小;砂岩的单轴抗压强度越高，围压对其强度的提高效应越显著，其中黄砂岩抗压强度受围压影响提高显著;砂岩弹性模量和变形模量受围压影响的提高程度与低围压时弹性模量和变形模量的大小成正比，且围压对黄砂岩弹性模量和变形模量的影响显著;3种砂岩的内摩擦角差值较大，而黏聚力相差较小，因而可见3种砂岩强度的差异主要是内摩擦角的不同导致的;砂岩的巴西劈裂强度为单轴抗压强度的3.5%~5.8%。3种砂岩的围压影响系数随围压增加整体按负指数关系减小，20 MPa是围压影响系数减小快慢的转折点;通过试验结果分析3种强度准则，指出幂函数Mohr强度准则能更好的反应不同围压岩石强度的非线性特征;白砂岩发生典型的缓倾角剪切破坏，破裂面为平面，红砂岩和黄砂岩在低围压下发生张剪复合破坏，在高围压时发生陡倾角剪切破坏，红砂岩的破裂面为锥面，黄砂岩的破裂面为高低不平的起伏面。

• 加锚节理岩体剪切蠕变特性及其本构模型分析

  宋洋, 李永启, 王韦颐, 刘金明,

  深部岩体地质环境复杂，节理岩体破坏机理不明确制约深地工程发展，为研究深部节理岩体的剪切破坏，尤其是塑性剪切破碎带的变形破坏，通过采用相似材料模拟试验和细观CT扫描技术相结合的方法，对不同法向应力下加锚节理岩体分级剪切蠕变试验过程进行研究;引入新型元件对原有模型进行修正，并采用剪切蠕变试验与三维重构宏细观结合的方法对复合流变模型中孔隙体积分数进行求解。研究表明:① 在节理岩体剪切蠕变试验中，瞬时蠕变变形量与法向应力呈负相关，衰减蠕变时间与法向应力呈正相关;② 研究发现剪切蠕变试验中稳态蠕变时间与试件破坏时间的比值时间因数M不随法向应力的提高变化，视为岩体固有属性;试验中试件的时间因数M均大于84%，即稳态蠕变时间在整个试件破坏过程中占比高。通过对不同岩体强度下时间因数M与孔隙体积分数f进行统计分析可知:时间因数M随岩体强度的提高呈现增加的趋势，孔隙体积分数f随时间因数M提高线性增加，从而实现利用时间因数M对节理岩体破碎程度的定量表征;③ 传统西原模型能够准确描述节理岩体剪切蠕变的衰减阶段和稳态阶段，对加速阶段的描述与实际不符，为准确描述节理岩体剪切蠕变全程，引入GTN模型对传统西原体进行修正，得到描述加锚节理岩体剪切蠕变全程的复合流变模型，通过对复合流变模型与试验曲线进行验证，说明复合流变模型在描述节理岩体剪切蠕变曲线的加速阶段时优于传统西原体。

• 软岩现场流变试验及非线性分数阶蠕变模型

  刘泉声, 罗慈友, 彭星新, 刘鹤, 陈磊, 潘玉丛,

  软弱岩体的流变力学特性研究对于保证矿井软岩巷道围岩的稳定性具有重要的意义，有必要进行软弱岩体的现场流变试验及其本构模型的研究工作。首先进行了煤矿软岩巷道底板大体积软弱岩体的现场分级加载压缩蠕变试验，其后引入分数阶微积分理论，采用Abel黏壶元件替代传统Burgers流变模型中的粘弹性体(即Kelvin体)，并基于现场岩体流变试验结果中岩体试样在加速蠕变阶段的变形特征，在改进后的Burgers模型上串联上非线性黏塑性体(即NAVPB)，建立了现场软弱岩体的非线性分数阶蠕变模型，最后基于岩体试样的流变试验数据，进行了非线性分数阶蠕变模型和Burger模型的参数拟合与对比分析。软弱岩体现场流变试验结果表明:岩体试样是否发生加速蠕变与加载的应力水平有关，其蠕变存在加速蠕变应力阈值，应力不大于该阈值时，岩体试样蠕变只发生衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段，且稳定蠕变阶段变形速率不为零;应力大于该阈值时，岩体试样经历完整的衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变3阶段并最终发生破坏，且存在加速蠕变启动时间点。模型参数拟合及对比结果表明:提出的软弱岩体非线性分数阶蠕变模型结构较为简单，相较于Burgers模型，能较好地描述现场软弱岩体包括加速蠕变阶段在内的全阶段蠕变特征。

• 矿山载/蓄冷功能性充填基础理论

  王美, 刘浪, 张波, 张小艳, 郇超, 赵玉娇, 屠冰冰,

  深井热害是矿产资源开采面临的重大问题，为改善矿井降温效果、提高冷量利用效率，提出了一种结合深井降温需求与充填采矿特点的载/蓄冷功能性充填降温方法，与传统矿井降温方式相比，该方法省去了井下空气调节末端装置和载冷介质输送系统，并营造出采场整体低温环境，其经济和安全效益明显。制定了载/蓄冷功能性充填的总体实施方案，包括材料制备、充填料浆输运、充填体相变降温、充填体固结强化4个阶段。材料制备与配方优化方面提出了以料浆的流动特性，充填体的传热特性，充填体的力学强度特性为三大约束条件的优化目标;在充填体相变降温方面建立了基于焓法模型、多孔介质模型和水化放热模型的载/蓄冷相变充填体瞬态相变传热模型，并以实验验证了该相变传热模型的准确性，应用该模型计算了井下条件中载/蓄冷相变充填体相变过程中的温度和液相率随时间变化的分布特征，对比初始液相率和料浆浓度2个影响因素，计算分析得出影响降温的主要因素为初始液相率;在充填料浆输运方面，实验表明随着初始液相率减小,含冰量增加，屈服应力与塑性黏性系数均增加，采用宾汉模型以及实验测试出的屈服应力与塑性黏性系数，得出了预测工程实际中管道输运剪切应力特性的计算公式;在充填体强度方面，实验表明抗压强度与含冰量之间的关系呈现出阶段性特征，随初始液相率从100%降低到临界值，强度逐渐增加，当初始液相率低于临界值，强度随初始液相率降低而降低，对不同阶段的特征分析了各阶段占优的影响因素及影响机制。

• 上下盘开采影响下断层滑移失稳力学机制

  韩科明, 于秋鸽, 张华兴, 李凤明,

  当工作面上覆岩层中含有断层时，地表下沉规律与不含断层时具有显著差别。为了研究上下盘开采断层滑移失稳力学机理，基于关键层理论建立了上下盘开采断层活化力学模型，推导了断层滑移失稳的判据，并结合数值模拟和相似模拟对上下盘开采断层活化难易程度进行了分析。研究结果表明:① 相对于上盘开采，下盘开采断层保持稳定除了满足断层带岩体在断层面不发生滑移外还需满足断层面不产生离层，下盘开采断层保持稳定条件更加苛刻，下盘开采断层更容易活化;② 对于上盘开采，随着工作面推进，浅部断层带岩体正应力逐渐减小，剪应力逐渐增大，深部断层带岩体剪应力和正应力都逐渐增大，说明断层露头处断层带岩体已经处于活化状态，断层带岩体产生裂隙，应力逐渐松弛，而深部断层带岩体正在为活化蓄能，浅部断层带岩体超前深部断层带岩体发生活化;③ 对于下盘开采，随着工作面推进，浅部断层带岩体剪应力和正应力逐渐增加，深部断层带岩体剪应力与正应力逐渐减小，工作面推进长度较小时，断层即活化;④ 工作面推进过程中，下盘开采断层带岩体剪应力与正应力的比值为上盘开采的3~5倍;⑤ 上盘开采断层活化时仅在断层露头处地表产生轻微裂隙，未形成明显台阶，下盘开采断层活化将在断层露头处产生明显台阶下沉。

• 费托合成水中混合醇初步分离工艺的实验与模拟

  李春利, 张乾龙, 郭中山, 王峰, 方静, 李浩,

  针对费托合成水中混合醇的分离问题，提出了利用隔壁塔(DWC)精馏技术初步分离混合醇的工艺。在忽略隔板传热的情况下，利用DWC小试实验装置进行了实验研究，并通过Aspen Plus模拟软件利用四塔模型严格模拟计算用于混合醇初步分离的DWC工艺。根据DWC小试实验参数进行模拟设定，并以产品关键组成和塔内温度分布为依据对比模拟与实验结果，进而验证了模拟过程的准确性。以寻求精馏过程再沸器热负荷最小值为目标，并将产品分离要求作为约束条件，使用序列二次规划(SQP)优化方法结合灵敏度分析工具对常规精馏序列工艺和DWC工艺进行参数优化。通过分析最佳参数条件下常规精馏序列工艺和DWC工艺的温度分布和关键组分浓度分布，对常规精馏序列工艺中间组分的返混现象和DWC工艺模拟过程忽略隔板传热的可行性做出了阐述。基于公平的优化模拟结果，分析对比了常规精馏序列工艺和DWC工艺的经济性和二氧化碳(CO2)排放量。结果表明，DWC工艺相比常规精馏序列工艺可降低47.8%的能源消耗和47.8%的CO2排放量，并且减少24.1%的设备总投资成本(CTI)和475%的年度总运营成本(CTO含量)，从而使年度总成本(CTA)降低了43.8%。因此，将DWC技术应用于费托合成水中混合醇的分离具有非常显著的优势。

• 煤基高碳醇粗产品的加氢精制研究

  卢巍, 王涛, 董文达, 于婷婷, 赵子昂, 朱何俊, 吕元, 丁云杰,

  高碳醇(C+6混合醇)是重要的精细化工原料，广泛应用于合成增塑剂，洗涤剂和分散剂等。以合成气为原料，经费托合成途径一步制得高碳醇的方法，近年来得到密切关注。但是，费托合成高碳醇的粗产品中，除了醇和烷烃外，还有较多的烯烃、醛等不饱和化合物，以及少量的有机酸，因此需要通过加氢精制将其脱除，以简化后续精馏分离工序。针对该体系开发了活性炭负载的Pd基催化剂，在液体空速6 h-1，氢油比100~300，温度100~310 ℃，压力8 MPa条件下，在实验室微型反应装置上对催化剂的性能进行了评价，考察其活性、选择性和稳定性。试验表明，不饱和组分的转化率随温度升高而增加，在温度高于250 ℃后，不饱和组分转化率可以达到99%以上，且能够将原料中大部分的酸加氢转化，转化率高于90%。但是当温度高于270 ℃后，醇收率开始显著降低，说明高温条件下醇在催化剂上发生了一定程度的氢解反应。因此，为了尽可能提高加氢产物中醇的收率，较优的反应温度应在250 ℃左右。采用X射线衍射(XRD)技术表征了反应前后催化剂活性位的晶相和粒径，证明催化剂的活性位是金属Pd纳米粒子，粒径约为20 nm，且在反应前后基本保持不变，催化剂在反应过程中活性位结构稳定。在实验室开发的基础上，该催化剂经历1 000 h寿命实验和规模化制备等环节，成功应用于陕西榆林合成气制高碳醇万吨级工业试验的粗产品加氢精制工序，在反应温度约250 ℃，8.4 MPa下，不饱和组分转化率100%，酸转化率90.4%，生产出只含有醇和烷烃的混合油品，为后续醇油分离技术的开发奠定基础。

• Pt-MOR/MCM-41催化剂制备与加氢异构化评价

  黄恪, 朱超, 师楠, 温福山, 王韶华, 吴雷, 门卓武, 刘东,

  费托合成产物中低碳直链烷烃经加氢异构化后，产物可用于优质高辛烷值汽油,是实现煤炭资源清洁化利用的一种重要手段。通过调控MOR沸石晶体碱溶解程度，以沸石溶解液为硅铝源合成介孔MCM-41，采用重结晶法制备了一系列MOR/MCM-41微-介孔复合材料，与金属活性组分离子交换后得到MOR/MCM-41为载体的Pt系催化剂，并选取正己烷为费托低碳烃模型化合物进行加氢异构化性能评价。分别通过SEM、TEM、吡啶红外、XRD、BET、氮气吸脱附等手段表征复合材料形貌、孔道结构及理化性质，表征结果表明，经过原位重结晶改性后，MOR晶粒粒径减小，外表面成功包覆MCM-41材料，吸附性能得到改善，适当的碱处理能够改善MOR沸石的颗粒易聚集现象，调变了Brønsted酸和Lewis酸的比值，弱酸量基本不变而中强酸量显著减少。加氢异构化性能评价结果表明，在反应温度为200~280 ℃，转化率随反应温度的升高而升高，且在相同转化率水平下，具有较高的正己烷加氢异构化选择性。随碱处理浓度增大，异构产物的选择性得到提高，且裂化程度减弱，主要归因于复合材料碱处理对MOR颗粒的分散作用与重结晶合成MCM-41带来的扩孔效果，通过调变催化剂孔道结构，缩短反应物分子与活性中心间传质路径，提高异构化催化性能。通过制备微-介孔复合材料并建立改性体系，可在相近转化率水平下提高正己烷加氢异构化的选择性。本研究为低碳正构烷烃加氢异构化催化剂载体的制备提供参考依据，有望通过对介孔复合的调控实现异构产物的高效转化。

• 搅拌釜费托铁催化剂反应动力学研究

  王涛, 张雪冰, 张琪, 杨如意, 孟祥堃, 胡云剑, 门卓武,

  为获取铁基催化剂在费托合成反应中的CO转化集总动力学模型，为费托反应器设计和工艺优化提供依据，使用自主研发的工业催化剂CNFT-1(主要成分Fe-Cu-K-B-Si，堆密度0.8 g/cm3)，基于经典且广泛接受的碳化物机理(Carbide)，以次甲基生成基元反应为速率控制步骤，推导了LHHW型CO转化集总动力学模型。在1 L搅拌釜反应器(高径比2.5)中首先排除了内外扩散的影响(搅拌转速＞400 r/min，空速＞7 000 mL/(g·h)且粒径＜150 μm)，然后通过正交试验进行了30组反应动力学实验，条件如下:503~553 K,1.0~4.0 MPa,8 000~20 000 mL/(g·h)以及合成气氢碳比1.0~5.0。在此范围内得到的CO转化率20%~70%，基本符合动力学的要求，并且CO转化率和CO2选择性随反应条件的变化趋势符合费托反应基本规律，数据可靠合理。以CO转化率相对残差MARR为目标函数建立模型，通过目标函数最小化(MARR=8.7%，复相关指数R2=0.92)来求解方程并获得最优模型参数，得到动力学模型参数估计值，并根据模型参数所代表的物理意义(合理的活化能Ek=105.0 kJ/mol)和统计意义(Fc=73.3，＞10倍F0.05=3.1，F检验显著)，对动力学模型进行了考察。结果表明:H2吸附热焓小于CO吸附热焓，说明CO在催化剂表面为强吸附，H2相对为弱吸附，这一结果与诸多文献相符。此外，动力学模型活化能Ek的数值也与文献报道值接近，因此，本研究所得的动力学模型可信度较高，可以较好地解释铁基费托催化剂的反应性能。通过本动力学模型得到的CO消耗计算值和实验值相对误差＜15%，可用于费托反应器设计和工艺优化。同时，集总动力学模型不能提供反应产物信息，为解决这一不足，需要进行更复杂的详细产物选择性动力学研究。

• CNFT-1费托合成催化剂长周期运行性能研究

  杜冰, 卜亿峰, 孟祥堃, 赵用明, 谢晶, 门卓武,

  利用催化剂百吨级中试评价装置，对自主开发的费托合成CNFT-1浆态床铁基催化剂进行了工业运行条件下的2 000 h长周期连续运转试验。催化剂百吨级中试评价装置内浆态床反应器总高28 m，直径DN200，配备有催化剂活化系统、费托合成反应系统、蒸汽包取热系统、催化剂在线置换系统、蜡过滤系统、产物分离系统、气体循环和尾气计量系统等。2 000 h长周期连续运转试验期间CNFT-1催化剂活化温度为250~270 ℃，活化压力为2.5~3.0 MPa，恒温时间24 h;费托合成反应温度260~270 ℃，反应压力30 MPa，催化剂装填量15 kg。2 000 h长周期性能评价结果表明CNFT-1催化剂在置换率为质量分数13%、置换周期为5~7 d的条件下，百吨级中试评价装置稳定运行，催化剂各项性能数据平稳。其中CO总转化率为95%~96%，CO2选择性<20%，CH4选择性为2.2%~2.4%;C+3收率保持在170~180 g/m3(标准状态)，C+3时空产率为0.94~1.05 kg/(kg·h)。当量置换周期为5 d时，单位催化剂产C+3数值保持在700 kgC+3/kgcat左右，置换周期增加为7 d时，单位催化剂产C+3量数值接近1 000 kgC+3/kgcat。催化剂耐磨性好，重质蜡中铁含量低于25 μg/g。长周期稳定运转试验产品中轻质油品主要组分集中于C6~C9，重质油主要组分集中于C13~C20，重质蜡主要组分集中于C25~C42，合成水中含氧化合物主要组分为正构醇。2 000 h长周期连续运转试验结果表明在煤基浆态床费托合成工业装置工艺条件下，CNFT-1催化剂各项性能指标满足工业生产要求值，完全具备工业应用条件。

• 工艺条件对费托铁基催化剂气固流化特性的影响

  佟瑞利, 杨卓, 鲁波娜, 冯留海, 杜冰, 赵用明, 卜亿峰, 门卓武,

  传统上浆态床费托合成铁基催化剂主要采用浆态床反应器进行还原，之后转移至费托合成反应器中进行反应。随着费托合成反应器规模的扩大，配套的浆态床还原技术显现出了生产能力小，还原周期长等不足。通过对费托合成铁基催化剂气固流化特性进行研究，开发产能大、还原周期短的气固流化床还原技术能够显著提高费托合成装置的经济效益。在分析了费托铁基催化剂物性参数的基础上，利用氢气和氮气的混合气模拟还原合成气，在能够升温加压的不锈钢气固流化床反应器内，研究了工艺条件对催化剂气固流化特性的影响，包括温度、压力条件对床层压差脉动幅值的影响，温度、表观气速对反应器床层内气固分布的影响，并结合数值模拟揭示了加压条件下表观气速和温度条件对反应器床层轴向和径向的颗粒体积分数分布、径向颗粒速度分布的影响规律，获得了加压条件下床层从鼓泡流化态到湍动流化态的转变速度并与常压结果进行了对比。实验结果表明，压力增加能够降低床层压差脉动幅值;床层气固分布变化规律及关联计算结果表明在3.0 MPa条件下床层由鼓泡流化态转变为湍动流化态的气速为0.26 m/s。床层不同高度的径向模拟结果表明，在不同表观气速下，反应器内颗粒体积分数都沿径向呈中心稀、边壁浓的“环-核结构”，颗粒速度沿径向呈中心上行、边壁下行的流动趋势;温度升高会造成床层压差脉动幅值减小，但对颗粒体积分数和颗粒速度分布的影响并不显著。在气固流化床的工业运转中适当加大操作压力，利于湍动流化态的形成及流化质量的改善。

• 2线水铁矿的晶胞与团簇模型

  薛思蕊, 武鹏, 吕毅军, 门卓武, 刘东, 赵学波, 吴萍萍, 李鹏, 周红星, 张宏玉,

  费托合成是合成清洁能源的重要化学反应。2线水铁矿是目前公认的费托合成铁基催化剂的前躯体。由于2线水铁矿热力学稳定性差，因此结构模型的推导主要基于X射线衍射结果和透射电子显微镜。但目前还鲜有将实验与模拟相结合，研究2线水铁矿的纳米团簇的报道。本研究采用实验与模拟相结合的方法，其中，分子模拟采用Material Studio(简称MS)中的Dmol3模块和Forcite模块分别对2线水铁矿的晶胞与团簇模型进行结构优化;实验研究利用沉淀法合成铁基催化剂前驱体2线水铁矿样品，洗涤方法选择离心，干燥方式选择冷冻干燥;表征方法包括、X射线衍射分析和红外光谱分析。从实验制备的2线水铁矿的X射线衍射结果出发，并结合米歇尔等给出的晶胞模型参数，搭建了2线水铁矿的晶胞模型、直径为2.66 nm的2线水铁矿球形纳米团簇及边长为322 nm的2线水铁矿立方体纳米团簇模型。在对模型进行了结构最优化后，通过模拟的X射线衍射对比图验证了晶胞与团簇模型的合理性，即实验与模拟的衍射峰差别控制在1.0°以内。结果表明，通过不同泛函结构优化后得到的模型的X射线衍射图出峰位置分别为35.9°/62.7°(GGA/PBE)和35.8°/61.9°(m-GGA/M06-L)。比较实验值(35.1°/62.0°)，2种计算结果的差值均在1.0°以内，且m-GGA/M06-L泛函计算结果更加接近实验值。对于两种纳米团簇模型，Fine精度计算得到的结果最准确，且两种不同形状的团簇模型均为最优模型。本研究强调了实验与模拟的紧密性，从实验结果出发，结合MS软件的X射线衍射模拟功能，成功搭建了合理的晶胞与团簇模型，对2线水铁矿结构的研究提供了依据。

• 工业浆态床中温费托合成产品分析与产品加工方案优化

  王峰, 郭中山, 王铁峰,

  浆态床铁基中温费托(MTFT:260~290 ℃)合成技术首次在国内大规模工业应用，建成400万t/a煤炭间接液化装置，其核心单元费托(F-T)合成装置具有浆态床反应器系列多、规模大、配置复杂的特点，导致装置操作难度大，反应器之间、反应器和下游装置间相互影响、相互干扰较大，降低了系统运行稳定性。工业运行结果表明:MTFT合成中间产品结构发生显著变化。与设计值相比较，蜡减少105.88 万t/a，而重油和轻油分别增加了53.16 万t/a和27.82 万t/a。与低温费托(LTFT)产物相比，MTFT合成中间产物具有α-烯烃质量分数高和C+5收率高的优点，C+5收率达到92.82%，且主要由α-烯烃和正构烷烃组成。轻油中α-烯烃质量分数达到66.34%，其中1-己烯占C6组分总量的62.47%，1-辛烯占C8组分总量70.43%;重油中α-烯烃和正构烷烃组成合计约89.63%，且随着碳数增加，α-烯烃质量分数降低。合成的蜡蒸馏出90%，达到720 ℃。MTFT合成(C+22)的选择性较高，选择性达到59.79%，与LTFT合成蜡选择性相当，但烯烃质量分数高。经过加氢精制和加氢裂化处理，生产的MTFT合成柴油主要由链烷烃组成，具有较高的十六烷值(不小于60)，是高品质的洁净燃料，但密度偏低，最高仅为780 kg/m3，达不到车用柴油(GB 19147—2013)规定标准。MTFT石脑油不含环烷烃和芳烃，因此其辛烷值很低(小于50)，不能作为汽油调和组分，但可以作为蒸汽裂解生产乙烯和丙烯的优质原料，乙烯的收率可到37.56%，丙烯收率20.16%，三烯总收率>61.82%。针对项目产品结构单一的局限，提出以生产柴油组分为主，联产α-烯烃、液体石蜡、F-T蜡、润滑油基础油等高附加值化工品的技术路线，并逐步实施，取得显著的经济效益。

• 400万t/a煤基费托合成装置运行和优化

  郭中山, 王峰, 杨占奇, 王铁峰,

  世界上规模最大的400万t/a煤基费托合成装置，于2016年11月首次试车运行,该装置采用中科合成油的中温费托合成技术建设，核心单元由8个年产50万t费托合成中间产物的浆态床反应器组成，具有设备系列多、规模大、配置复杂的特点。装置运行过程中暴露出高温油气分离效果差、产物汽提塔设计不合理、费托合成反应器与脱碳单元难匹配等突出问题。通过近2 a的技术攻关和优化改造，解决了大部分问题，实现了装置安全稳定运行。通过增加旋风分离器数量，减小其尺寸，提高入口油气气速，显著降低了高温油气中夹带的催化剂颗粒量，避免了换热分离器的堵塞，实现了重油、轻油和和合成水的有效分离;从控制换热分离器中重油温度和提高汽提塔重油进料温度两个方面进行优化操作。将换热分离器中水的平衡分压控制在0.26~0.32 MPa时，确保合成水不凝结，且轻质油中不含重油。同时将换热分离器底部重油温度控制在128~135 ℃。另一方面，确保重油进入汽提塔的温度不小于170 ℃，实现了汽提塔热量再平衡，塔底釜温维持在200 ℃以上，确保了汽提塔运行的安全性;将各费托合成反应器出口压力控制在2.3 MPa，并控制各循环气压缩机一段进气量，和提高压缩机二段进气量实现操作调控送入脱碳装置的合成尾气量，提高了费托合成反应器与脱碳单元匹配性，提高了系统运行的稳定性。装置运行标定结果为:CH4选择性为2.90%，C+3选择性平均值为96.1%，C+5选择性达到92.8%，吨油消耗合成气5 686 m3(标准状态)，吨产物副产4.5 t中压蒸汽和1.1 t合成水，基本达到设计指标。

• Co-PPh3@POPs多相催化剂氢甲酰化反应研究

  姜淼, 杜虹, 王国庆, 严丽, 丁云杰,

  氢甲酰化反应是过渡金属羰基化合物催化下的烯烃与合成气生成比原料烯烃高一个碳的醛或醇的反应，全世界通过氢甲酰化反应制备醛或醇的产量可以达到1 200万t/a。均相催化具有较高的催化活性和温和的反应条件，但催化剂同反应物料的分离问题，阻碍了其大规模工业化应用。多相催化体系中催化剂与反应物料容易分离，存在反应活性或选择性较低等问题。均相固载化兼顾了均相催化优异的反应活性和多相催化易于分离的优点，成为氢甲酰化领域的研究热点。Rh是氢甲酰化反应中最活泼的元素，Co的活性相对较低，但其仍具有较大的工业价值。由于贵金属Rh的资源稀缺以及价格昂贵严重影响了氢甲酰化反应过程的经济性，因此，考虑采用金属Co代替金属Rh作为催化剂的活性组分，应用于烯烃的多相氢甲酰化反应。制备了PPh3@POPs担载Co基多相催化剂(Co-PPh3@POPs)，系统考察了反应溶剂、金属Co前驱物、金属Co负载量、反应时间等因素对Co-PPh3@POPs催化剂氢甲酰化反应性能的影响。当选取反应溶剂为甲苯，金属Co前驱物为Co(OAc)2，Co负载量为10%时，Co-PPh3@POPs催化剂表现出良好的氢甲酰化反应性能，且反应活性明显优于Co@SiO2和Co@SBA-15催化剂。表征结果显示，Co-PPh3@POPs催化剂具有高的热稳定性、大比表面积和多级孔道结构，较优的催化性能归因于活性组分Co物种可高分散于具有大比表面积和多级孔道结构的含膦聚合物PPh3@POPs载体上。

• 氧化铝负载的钴基费托合成催化剂失活机理

  秦绍东, 李加波, 何若南, 杨霞, 段雪成, 孟祥堃, 门卓武,

  Co/Al2O3催化剂在费托合成反应中具有良好的反应性能。采用浸渍法制备了Co/Al2O3催化剂，使用搅拌釜反应器在220 ℃，2.0 MPa,10 000 h-1,H2/CO=2.0(体积比)合成气条件下对催化剂的费托合成反应性能进行了评价，评价结果表明随着反应的进行，催化剂的活性逐渐降低，CH4选择性逐渐升高。为研究Co/Al2O3催化剂在费托合成反应中的失活机理，采用N2物理吸附(BET)、X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)及程序升温加氢(TPH)对不同时间反应后的催化剂进行了表征。表征结果表明在费托合成反应过程中随着反应时间的延长，Co/Al2O3催化剂的孔结构没有发生显著变化，催化剂中部分CoO相被进一步还原为活性相金属Co。此外，在反应过程中活性相金属Co的晶粒尺寸逐渐发生烧结长大，催化剂表面的积碳量快速的增加。因此，活性相金属Co的烧结与催化剂表面的碳沉积应当是本研究中Co/Al2O3催化剂在费托合成反应过程中发生失活的主要原因。为改进催化剂抗烧结能力，对Al2O3载体的孔结构进行调控，进而控制催化剂中活性相金属Co的晶粒分布，减少易于发生烧结的小晶粒金属Co的生成。此外，通过进一步改进催化剂的配方，成功开发了具有高耐烧结性与抗积碳能力的Co基费托合成催化剂。在搅拌釜反应器中对改进后的催化剂进行了1 800 h的费托合成性能测试，在整个反应过程中催化剂表现出高稳定性与低甲烷选择性。

• 煤间接液化及产品加工成套技术开发研究进展

  武鹏, 吕元, 郭中山, 吕毅军, 吴雷, 徐炎华, 门卓武,

  煤间接液化技术可实现煤的清洁转化，并部分解决石油对外依存的问题，成为我国替代石油和煤炭清洁化利用的有效途径之一。根据工业示范和初步商业化运行暴露的问题以及国内外研究成果，认为制约煤间接液化技术发展的瓶颈主要为:催化剂活性和选择性与国外先进水平存在差异、稳定性亟待提高，单台反应器产能较低，汽柴油产品不合格，提取有机物后合成水变为含盐废水等。为解决上述问题，国家能源集团承担了国家重点研究计划项目—先进煤间接液化及产品加工成套技术开发。本文详细总结了项目研究进展,包括:① 通过对Co2C 介导的原位转晶技术、载体优化及工程放大研究，实现10 kg 级/批费托钴基催化剂中试规模的制备;在公斤级催化剂装量中试装置上C+5时空产率≥0.3 kg油/(kg催化剂·h)，CO 转化率≥90%，催化剂单次再生寿命≥6 000 h，已具备工业试验的条件;② 采用原位/非原位技术系统研究了催化剂活性相生成机理，完成铁基催化剂的实验室定型、中试到1 t/d的规模化生产，并在百t油品/a中试装置运行时空产率≥1.0 kg油/(kg催化剂·h)，吨油剂耗≤1.0 kg，正在进行工业应用试验;③ 采用气固流化床装置活化费托铁基催化剂，搭建了气固流化床还原平台，完成20 t/批气固流化床的基础设计;④ 采用基于EMMS理论建立二相相互作用模型，并进行了浆态床反应器反应性能和流体力学模拟，并建立CFD-PBM模型，确定了65万t/a扩能改造的技术方案;⑤ 建立费托渣蜡的磁分离的装置、方法，完成20 L/h磁分离研究，分离后铁含量接近0.02%;⑥ 实现了以费托合成蜡为原料采用流化催化裂化技术生产汽油的催化剂和工艺流程实验室定型;⑦ 采用百万吨级煤直接/间接液化工业装置生产的柴油组分进行5 L/批调和，得到满足需求的调和柴油组分;⑧ 完成了采用膜分离技术实现费托合成水脱酸的实验室研究，完成了费托合成水中醇的提取和分离中试试验，以及将提取醇后的费托合成水处理为锅炉用水，实现了费托合成的水资源化利用。突破上述关键技术的瓶颈，并对形成的解决方案进行中试验证，具备条件的进行商业化应用，最后与现有成熟技术集成，形成可生产国六汽柴油产品的先进煤间接液化和产品加工成套技术。

• 黄河流域煤矿区生态环境修复关键技术与战略思考

  彭苏萍, 毕银丽,

  针对黄河流域煤矿区所处的战略地位，剖析了该流域生态环境面临的主要问题，认为水资源短缺是该流域中上游生态环境治理的瓶颈，现有技术与方法还不能支撑黄河流域煤矿开采与生态环境的协调发展，理论与技术的创新将成为新的关注热点。分析了国内外煤矿开采的岩层结构及采动裂隙演化规律、地下水资源保护、煤炭开采对水和生态环境影响的研究现状，提出了黄河流域煤矿区生态环境修复应结合煤层赋存特点和煤层开采工艺技术，对上覆岩层产生的裂隙发育特征与展布格局，裂隙与地表水和矿井水的导通与耦合关系，裂隙对地表生态发育与退化作用，生态环境修复关键技术与方法等进行了系统描述。提出黄河流域中上游煤矿区生态环境修复关键是水的保护与利用，要采用四维综合监测方法，揭示采矿全周期的地下水、表层水运移及地表生态环境演变规律。要针对黄河流域不同煤矿区开发过程对水土资源受损的影响程度与范围，研究并形成黄河流域煤矿生态环境修复关键技术，构建黄河流域煤炭开发的生态安全评价体系及调控模式。要改变传统认为煤炭开采只是对生态环境破坏的旧观念，充分利用煤炭开采过程对上覆岩层产生裂隙这一类似“松土”的作用动力，减缓干旱半干旱地区极易形成的次生盐碱化现象，积极将人工修复技术和生态自修复作用相结合，实现从被动防治到主动治理，使煤矿区生态环境修复成为黄河流域生态治理的典范，并为其他行业应用提供借鉴。最后提出黄河流域煤矿区生态环境修复今后工作重点与发展模式，来实现生态环境修复可持续发展。

• “先进煤间接液化及产品加工成套技术开发”专题特约主编致读者

  门卓武,

  我国一次能源的特点是富煤、缺油、少气,随着经济的不断发展,石油对外 依存度不断攀升,这严重影响了我国的能源安全。而煤作为固体矿物燃料,由 于其先天因素燃烧过程必然会产生污染,因此煤的清洁利用势在必行。煤间接液化技术可实现煤的清洁转化利用,并部分解决石油对外依存的问题,成为 我国替代石油和煤炭清洁转化利用的有效途径之一。 　　从我国煤间接液化工业和商业化运行所暴露出的问题以及国内外研究成果来看,制约我国煤间接液化技术发展的瓶颈主要为:① 与国外先进技术相 比,单台反应器产能较低,导致设备投资和运行成本过高;② 生产过程采用了产生大量危废和固废的工艺技术,运营商要付出巨大的代价进行处理;③ 无法生产满足国六标准的汽油产品,而生产的柴油馏分质量过剩,对拓展销售市场有一定的影响。 　　鉴于此,2017 年 7 月由国家能源集团牵头承担国家重点研发计划的“先进煤间接液化及产品加工成套技术开发”项目。该项目联合了中科院大连物理化学研究所、国家能源集团宁夏煤业有限责任公司、北京低碳清洁能源研究院、中石化工程建设有限公司、南京工业大学、中国神华煤制油化工有限公司、清华大学、中国科学院过程工程研究所、中国石油大学(北京)、中国石油大学 (华东)、浙江工业大学、河北工业大学等共 12 家国内优势单位,组成“产、学、 研”的研发团队,以宁夏煤业 400 万 t / a 煤间接液化装置为平台,以解决关键科学问题开发创新性技术为导向,实现所开发的技术从实验室到工业中试、工业示范,甚至商业应用。 　　本专题汇集了“先进煤间接液化及产品加工成套技术开发”项目团队的优秀研究成果,包括高性能钴基费托合成催化剂规模化制备技术,高性能铁基费托合成催化剂规模化制备技术,新型费托合成反应器及工艺、催化剂活化技术开发(包括渣蜡中固体物高效分离),合成油生产无硫、低烯烃、低芳烃国六汽柴油集成技术开发,合成水中低碳含氧有机物高效提取与水资源化技术开发及中试验证等 5 个方面的内容。 　　本专辑的出版,得益于项目团队努力工作以及行业有关专家在百忙之中 对论文的认真评审。在此,谨向对该专辑提供帮助的审稿专家表示崇高的敬意!