CN110376347B - 一种煤的研究模型及其构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤的研究模型及其构建方法。采用太极的概念，把煤制成了太极煤颗粒，煤颗粒中包含了四部分：一部分为纯净有机质、一部分为纯矿物质、一部分为有机质中含有矿物质、一部分为矿物质中含有有机质，四部分的排列组合形成了煤的基本研究模型。本发明将复杂的煤结构构建成了太极煤颗粒模型，这种结构单元在多种角度、多种用途、多种研究领域都能适用。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤的研究模型及其构建方法，属于煤炭研究技术领域。
背景技术
煤炭的生成普遍认为是由远古植物经地质变化在地下长达7000多万年的演变，从而形成的化石资源。在形成过程中伴随了其他物质的同时矿化作用，使得在开采中，煤是伴随有矿物质（也称矸石）的，甚至会出现贫煤多矿的现象。而在煤炭加工利用中，无论是煤炭洗选还是煤炭深加工（煤化工），矿物质是永远伴随在有机质煤中的。所以，公认的煤炭是有机质和无机矿物质的共同体。而目前研究煤的结构主要是在化学利用方面进行的建立模型，意在无法认定煤的分子结构是统一的。中国专利CN 104091504A公布了以从化学角度了解煤的结构和性质，对煤的高效转化和利用起指导作用煤结构模型构建方法。中国专利CN105138809A公布了建立一种无定形态烟煤结构空隙特征的分析方法。中国专利CN106898220A公布了一种新的建立褐煤结构模型的方法，该方法建立的模型能够反映褐煤氧化过程中苯羧酸的生成及其收率分布的特点。中国专利CN 106169016A公布了一种炼焦煤含硫大分子结构模型的构建方法，对开展模型化合物替代煤进行微波脱硫起指导作用。中国专利CN108088863A公布了一种结构无损的褐煤有机大分子结构模型的构建方法。以上方法都是建立在现在计算机技术发展的和煤化学化工发展的基础上，采用各种表征手段（如13C NMR、HRTEM、X-ray、FT-IR等）进行的研究煤的各种反应性能建立的模型。
模型建立的理想化、简易化的构思对实际的微观研究仍然存在差距。例如，模型构建中只有C、H、O、N和S元素考虑，分子结构中只有体相分子构建的微孔缝隙，而实际煤分子和矿物质分子是共（伴）生的，煤的结构测定中有许多介孔和大孔存在。煤炭是一种不均匀的有机沉积岩，其由多组分、大分子的有机物和多种无机矿物质组成，简而言之，煤炭是一种有机相和无机相混合物。曾凡桂等（煤超分子结构的概念及其研究途径与方法[J]. 煤炭学报, 2005, 30(1):85-89）提出煤的超分子结构概念，认为煤超分子结构主要体现在煤分子组成与结构、分子间作用、分子识别和形成的物理化学机制。到目前为止，多数研究集中在煤的有机分子结构概念，涵盖煤化工、煤层气等领域。
而煤浮选领域还未提出煤的基本研究单元概念，我们认为选煤中的煤分子概念应结合矿物质来研究，浮选就是将无机矿物质和有机煤分离得到精煤的过程。由于煤复杂的岩相结构、矿物质和有机质的不均匀嵌布、煤粒表面含有的官能团（含氧、硫、氮等），用已经建立的模型基本不能解决研究煤的基本单元问题。
发明内容
本发明旨在提供一种煤的研究模型及其构建方法，其目的在于解决研究煤的基本单元的通用问题，具体建立一种体现煤组成中有机质和无机质共存的基本单元颗粒，同时解决了煤的加工利用中矿物质存在的实际问题。
本发明提供了一种煤的研究模型，把煤制成了煤颗粒，煤颗粒中包含了四部分：一部分为纯净有机质、一部分为纯矿物质、一部分为有机质中含有矿物质、一部分为矿物质中含有有机质，四部分的排列组合形成了煤的基本研究模型。
进一步地，有机质在煤颗粒中占比例为1-100%，矿物质在煤颗粒中占的比例为0-99%（超纯煤即没有矿物质或矿物质所占比例接近0） 。
本发明提供了上述煤的研究模型的构建方法，包括以下步骤：
（1）对煤粒进行一级破碎，破碎到粒径为3mm以下；所述一级破碎采用的设备为颚式破碎机、锤式破碎机、对辊破碎机、棒磨机、球磨机中的一种；
然后进行二级粉碎，将煤研磨到粒径≤10µm；所述二级破碎采用的设备为气流磨机、超声粉碎装置、金刚石磨砂盘中的一种；
（2）研究粉碎后煤粉的表面性能，包括表面积、表面能、表面不均匀性，形成基元粒子模型；
所述表面积通过氮吸附仪测定出、表面能通过表面能吸附仪测定、表面不均匀性通过煤岩显微镜、扫描电镜测定；
（4）取一部分通过盐酸、硝酸、浓盐酸进行除矿处理，得到超纯煤（其灰分含量≤0.1%）；取另一部分通过低温等离子灰化（120-150℃）得到矿物质（其灰分含量≥99.9%）；取两部分样品按比例进行混合、成型、压制，制成粒径小于0.1mm的煤颗粒。
本发明的有益效果：
本发明将复杂的煤结构构建成了煤颗粒模型，这种结构单元在多种角度、多种用途、多种研究领域都能适用；研究一种通用的煤结构方法，具有非常重要的意义，甚至是颠覆性的理念和研究创新。
附图说明
图1为煤的结构模型构建过程示意图。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
取150g晋城无烟煤，经过工业分析，Ad=21.1%，Vd=12.3%，FCd=66.6%。分别分成A、B、C各50g。将A样品通过球磨机破碎用7目（2.80mm）标准筛筛分，得到筛下样品48.9；然后用超声粉碎装置进行粉5分钟，用1340目（10µm）标准筛进行筛分，得到筛下样品5.3g，将筛上样品继续用超声粉碎装置进行粉10分钟，用1340目（10µm）标准筛进行筛分，得到筛下样品13.1g，共收集到筛下样品18.4g。同理，将B样品进行相同方式处理，共收集到筛下样品19.1g。
将18.4gA筛下样品放入250mL三口瓶中，加100mL盐酸（35%）在120℃下搅拌24小时后过滤；将过滤后样品再加入到250mL三口瓶中，加100mL硝酸在100℃下搅拌10小时后过滤；将过滤后样品再加入到250mL三口瓶中，加150mL浓盐酸在160℃下搅拌24小时后过滤，在75℃的真空干燥箱中干燥5小时。然后化灰，测得Ad=0.03%。将19.1gB筛下样品分别放入等离子灰化皿中，每个灰化皿中放1g左右，分19次将样品送入低温等离子灰化仪中，150℃下12小时。然后将所有处理完的样品混合，并化灰，测得Ad=99.98%。
将处理后的A样品和B样品按3.74: 1的比例取5g加入到烧杯中，先超声波处理15分钟后，磁力搅拌3小时，混合均匀；随后放入压片机上，调5MPa压力成型；随后再通过球磨机破碎，取7目（2.80mm）标准筛筛下物，进行工业分析，测得Ad=20.7%，Vd=11.9%，FCd=67.4%。同理将C样品进行混合搅拌，压片成型再球磨破碎，取7目（2.80mm）标准筛筛下物，进行工业分析，测得Ad=21.0%，Vd=12.1%，FCd=66.9%。通过对比，数据在误差范围内，说明制备的煤颗粒完全和原煤的性质一致。同样测表面积、表面能、表面不均匀性、孔隙率和孔分布，对比数据如下表：
本发明将复杂的煤结构构建成了煤颗粒模型，这种结构单元在多种角度、多种用途、多种研究领域都能适用；从上图可以看出，二者的性能很接近。
Claims (4)
1.一种煤的研究模型的构建方法，其特征在于：把煤制成了煤颗粒，煤颗粒中包含了四种类型：一种为纯净有机质、一种为纯矿物质、一种为有机质中含有矿物质、一种为矿物质中含有有机质，四种类型构成了煤的研究模型；
所述的煤的研究模型的构建方法，包括以下步骤：
（1）对煤粒进行一级破碎，破碎到粒径为3mm以下；
然后进行二级破碎，将煤研磨到粒径≤10µm；
（2）测试粉碎后煤粉的表面性能，包括表面积、表面能、表面不均匀性，形成基元粒子模型；
（3）取一部分粉碎后煤粉通过盐酸、硝酸、浓盐酸进行除矿处理，得到超纯煤，即纯净有机质，超纯煤的灰分含量≤0.1%；取另一部分粉碎后煤粉通过低温等离子灰化得到矿物质，即为纯矿物质，矿物质的灰分含量≥99.9%；取处理后的纯净有机质和纯矿物质按比例进行混合、成型、压制，制成粒径小于0.1mm的煤颗粒。
2.根据权利要求1所述的煤的研究模型的构建方法，其特征在于：步骤（1）中，所述一级破碎采用的设备为颚式破碎机、锤式破碎机、对辊破碎机、棒磨机、球磨机中的一种；
所述二级破碎采用的设备为气流磨机、超声粉碎装置、金刚石磨砂盘中的一种。
3.根据权利要求1所述的煤的研究模型的构建方法，其特征在于：步骤（2）中，所述表面积通过氮吸附仪测定出，表面能通过表面能吸附仪测定，表面不均匀性通过煤岩显微镜或扫描电镜测定。
4.根据权利要求1所述的煤的研究模型的构建方法，其特征在于：所述低温等离子灰化的温度为120-150℃。
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