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省部共建国家重点实验室在西部煤炭赋存特性及分级转化方面取得系列研究成果

发布时间:2020年06月18日 09:39 编辑: 点击量:

省部共建国家重点实验室在西部煤炭赋存特性及分级转化方面取得系列研究成果

 

我校郭庆杰教授领衔的“煤炭清洁利用”宁夏创新研发团队,紧密围绕西部煤炭特性及分级利用,尤其在煤炭分子结构、化学链技术、污染物控制以及热化学转化等方面开展了系统性深入研究,并取得了一系列研究成果。相关研究近两年来在化工领域卓越期刊《化工学报》和《化工进展》上发表8篇系列研究论文。上述两种期刊均为中国科技期刊卓越行动计划入选期刊,为国内化工领域最顶尖的权威中文期刊。

 

科学合理地认识煤分子结构有助于从本质上解释煤的各种反应性,从分子水平上对煤结构的深入了解原则上可以为煤炭的加工、转化和利用提供强有力的支撑。然而,煤的结构具有非均一性,在原子分子尺度下准确而全面地描述煤炭这样一种高度复杂混合物的结构特性较困难。此外,相较于针对山西、陕西、内蒙等出产的煤较多关注,目前对于宁东煤微观结构及反应性的研究非常缺乏。“煤炭清洁利用”创新研发团队,先后系统研究了宁东红石湾、枣泉等主要产煤矿区低阶烟煤的地球物理化学特性和赋存特征,基于平均分子结构的概念,使用现代表征方法结合计算机辅助和多尺度计算模拟,发展了煤的分子结构模型构建方法,实现了上述宁东典型低阶煤的原子尺度分子结构的精准描述,为其高效清洁转化奠定了理论基础(论文1、2和3)。

 

3维图3副本

 

化学链技术是一种新型煤炭高效加工和利用技术,具有CO2有效捕集等显著优势。而高效载氧体是当前化学链技术从基础研究实现工业应用的重要物质基础。针对载氧体进行设计制备,实现性能提升仍是目前化学链领域的重要研究课题。“煤炭清洁利用”创新研发团队提出了铜低浓度掺杂铁基载氧体,基于热重实验和密度泛函理论计算,系统研究化学链燃烧过程中反应活性和微观分子反应机理。揭示了铜掺杂改变载氧体表面反应的路径,阐明了低浓度铜掺杂铁基载氧体与H2化学链燃烧反应的微观机理。为载氧体的筛选、优化和设计提供理论指导(论文4)。此外,使用热重分析仪-质谱-红外连用结合光电子能谱分析,系统探究化学链气化还原过程不同阶段固相产物中氮赋存形态的变化,获得了煤化学链反应不同阶段中固相氮的赋存形态及变化规律(论文5)。

 

 

当前煤炭资源高效清洁利用面临严峻的环境挑战。揭示煤的不同热化学转化过程中污染物释放和迁移转化对于污染减排至关重要。“煤炭清洁利用”创新研发团队采用先进的反应分子动力学模拟方法,研究了燃煤过程中含氧官能团和吡啶/吡咯型氮化物的转化机理,建立了有机氮和COx的转化和生成路径,获得了HCN、NO和NO2等关键物种的演变过程(论文1和6)。

  

 

煤的热解是多种煤炭热化学转化过程的关键步骤。煤作为一种极为复杂的化学物质,对整个热解过程的反应机理认识很大程度上仍然处于统观层面。“煤炭清洁利用”创新研发团队利用TG-MS技术研究了宁东庆华煤的显微组分的热解,基于Coats-Redfern模型从动力学上阐明镜质组和惰质组的热解规律,基于官能团和化学键合环境的差异建立了热解行为与显微组分不同化学键裂解的关联规律(论文7)。近年来温室气体排放导致了全球变暖、生态恶化、极端天气频繁发生。而CO2是主要的温室气体其对全球变暖影响的比例最高。因此,实现燃煤电厂烟道气中CO2高效捕集、减少排放是亟待研究和解决的课题。“煤炭清洁利用”创新研发团队以煤基活性炭为原料,经改性活化,用于烟道气中CO2吸附。研究发现,经复合氧化改性后,活性炭的介孔体积增大,表面含氧官能团增加,CO2吸附性能提高至2.45 mmol/g,是未改性的2.02倍。经十次吸附循环后,饱和吸附量仍可维持在初始吸附量的92.24% (论文8)。

 

 

上述论文第一作者均为“煤炭清洁利用”创新研发团队博士/硕士研究生,第一单位和通讯单位均署名宁夏大学省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室。研究得到“化学工程与技术”一流学科、省部共建国家重点实验室和国家重点研发计划、宁夏重点研发重大科技项目等资助。

 

据悉,近期我国多个部委启动实施中国科技期刊卓越行动计划,科技部也印发《关于破除科技评价中“唯论文”不良导向的若干措施(试行)》的通知,鼓励发表“三类高质量论文”。省部共建煤炭高效利用与绿色化工国家重点实验室历来重视将重要研究成果发表在国内权威期刊上。2019年至今,陆续在中国科技期刊卓越行动计划入选期刊《化工学报》、《化工进展》、《煤炭学报》等发表高质量研究论文近20篇。

 

8篇论文信息:

论文1.冯炜,高红凤,王贵,吴浪浪,许靖钦,李壮楣,李平,白红存*,郭庆杰.枣泉煤分子模型构建及热解的分子模拟.化工学报,2019, 70(4): 1522-1531.

论文2.李壮楣,王艳美,李平,李和平,白红存*,郭庆杰.宁东红石湾煤大分子模型构建及量子化学计算.化工学报,2018, 69(5): 2208-2216.

论文3.王强,毛宁,杨妍,张金鹏,白红存*.宁夏庆华煤镜质组和惰质组显微组分的分子结构及对比分析.化工进展,2020,已接收,编号2020-0286.

论文4.袁妮妮,白红存,安梅,胡修德,郭庆杰*.化学链过程中Cu低浓度掺杂改性Fe-基载氧体反应性:实验与理论模拟.化工学报,2020,已接收,编号20200307.

论文5.李彦坤,马晶晶,常国璋,胡修德,郭庆杰*.基于铁基载氧体的煤化学链气化还原过程中氮元素迁移行为.化工进展,2019, 38(8), 3631-3639.

论文6.杨慧芳,关海莲,李平*,夏英,王凤,徐文静,白红存,郭庆杰.煤颗粒燃烧过程氧化机理及有机氮转化的分子模拟:以宁东红石湾煤为例.化工学报,2020, 71(2): 799-810.

论文7.毛宁,王强,杨妍,徐敦信,冯炜,张金鹏,白红存*,郭庆杰.基于显微组分化学键特征的宁夏庆华煤热解特性及动力学分析.化工学报,2020, 71(2): 811-820.

论文8.王燕霞,胡修德,郝健,郭庆杰*. TEPA负载复合氧化活性炭吸附烟气中的CO2性能.化工学报,2020, 71(5): 2333-2343.

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