高钠煤中钠赋存形态对油煤浆流变特性及直接液化反应性的影响和机理

The Zhundong district in Xinjiang province has abundant sodium-rich coals, of which the ash and harmful elements contents are relatively low. Therefore, the Zhundong coals are viewed as ideal feedstock for direct coal liquefaction (DCL). During the oil-coal slurry preparation process in DCL, the rheological properties of the slurry can significantly affect its transportation and reactivity in DCL. However, in the slurry preparation using sodium-rich coals, transformation of sodium species in the process and its effect on rheological properties of the slurry remain little known. Meanwhile, the chemical reactions between sodium species and other mineral matters are unclear as well. Hence, in this work, we target at sodium-rich coals and aim to illustrate transformation of sodium species in oil-coal slurry preparation by multiple characterization. Moreover, links between slurry viscosity and preparation temperature, sodium species content, and occurrence modes are established. Besides, rheological models will be used to describe the effect of different sodium species on flow properties of slurry by regression analysis. In order to explain the mechanism involved in the slurry preparation, the effects of sodium species on the distribution of hydrogen bonds, release of small molecules, and coal swelling are to be investigated. This work may provide guidance for the viscosity modification of oil-coal slurry and the efficient utilization of sodium-rich coals in DCL.

新疆准东高钠煤储量丰富，灰分和有害元素含量低，是煤直接液化的优质原料。在液化制浆阶段，油煤浆的流变特性是影响浆体输送和反应效率的关键因素，而对于高钠煤油煤浆体系，钠离子对浆体流变特性影响的研究还相对较少，钠离子与其它矿物质间的相互作用规律同样缺乏清晰认识。基于上述现状，本项目拟以典型高钠煤为研究对象，通过多种分析表征及预处理方式，阐明高钠煤制浆阶段钠离子赋存形态的变迁规律及与其它矿物质间相互作用的化学本质，建立高钠煤油煤浆黏度与温度、钠离子含量和赋存形态间的定量关联。同时选用合适的流变模型，运用回归分析明确钠离子含量和赋存形态对油煤浆流动性的影响；进一步通过考察钠离子对油煤浆体系中氢键含量与种类分布、小分子溶出特性和煤溶胀特性的影响，揭示钠离子改变黏度等的内在机理，并结合粘度等与液化反应性间的关联，为高钠煤油煤浆的制备及黏度调控提供理论指导，推动高钠煤在液化中的有效利用。

在煤的直接液化制浆阶段，油煤浆的流变特性是影响浆体输送和反应效率的关键因素，对于高钠煤油煤浆体系，煤中不同赋存形态钠对浆体流变特性影响的研究还相对较少，钠离子与其它矿物质间的相互作用规律尚缺乏清晰认识。本项目以典型我国新疆地区典型高钠煤为研究对象，通过多种分析表征及预处理方式，阐明了高钠煤制浆阶段钠离子赋存形态的变迁规律及与其它矿物质间相互作用的化学本质，建立了高钠煤油煤浆黏度与温度、钠离子含量和赋存形态间的定量关联，结果表明所选用煤样油煤浆均为触变性流体，由于上行曲线剪切应力始终大于下行曲线剪切应力，说明随剪切时间延长，油煤浆的触变结构被逐渐破坏，因此高钠煤油煤浆不具有黏弹性。同时，实验还证实碱金属和碱土金属离子提高了油煤浆触变性，且随温度升高油煤浆触变能均呈现先减小后增加的变化趋势。项目还选用合适的流变模型，运用回归分析明确了钠离子含量和赋存形态对油煤浆流动性的影响。进一步，通过考察钠离子对油煤浆体系中氢键含量与种类分布、小分子溶出特性和煤溶胀特性的影响，揭示了不同赋存形态钠改变黏度等的内在机理。针对有机钠抑制液化油生成的现象，项目使用供氢性能不同的溶剂对典型高钠煤进行中低温热处理，考察热处理过程中钠离子赋存形态的变迁及煤有机结构的变化规律，揭示了溶剂热处理对高钠煤钠离子赋存形态和有机结构的影响，明确了该过程中钠离子与其它矿物质间的相互作用规律及化学本质。通过处理煤样的液化实验，获得了处理煤样的液化产物分布，系统阐述了溶剂热处理对高钠煤液化产物分布的影响，项目的研究结果有望为高钠煤中钠赋存形态的调控及其在液化中的高效转化利用提供理论指导。