【摘 要】
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中国西部地区拥有丰富的煤炭资源,煤炭资源是中国能源结构的重要组成部分,如何清洁、高效的转化和利用煤炭资源是现阶段行业发展面临的主要难题。因此,开展煤的物性评价指标和热解产物预测研究,完善煤炭物性评价体系,提高煤炭热解产物预测精度,对中国煤炭资源的清洁转化与增值利用具有重要应用价值和指导意义。论文以陕西、内蒙、新疆三地区的典型煤种为研究对象,采用电子扫描电镜（SEM）、固态13C核磁共振（NMR）、
【基金项目】
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国家自然基金； 国家科技重大专项基金；
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中国西部地区拥有丰富的煤炭资源,煤炭资源是中国能源结构的重要组成部分,如何清洁、高效的转化和利用煤炭资源是现阶段行业发展面临的主要难题。因此,开展煤的物性评价指标和热解产物预测研究,完善煤炭物性评价体系,提高煤炭热解产物预测精度,对中国煤炭资源的清洁转化与增值利用具有重要应用价值和指导意义。论文以陕西、内蒙、新疆三地区的典型煤种为研究对象,采用电子扫描电镜（SEM）、固态13C核磁共振（NMR）、X射线光电子光谱（XPS）、气相色谱-质谱联用（GC-MS）、热重（TG-DTG）等分析检测手段,研究了四种典型煤种的煤岩组成、煤质特征、物理、化学与工艺性质及物性参数与热解特性之间的相关性,在此基础上构建煤炭物性参数评价指标体系及基于人工神经网络的热解产物预测模型,实现煤炭物性参数的科学评价和热解产物分布的精准预测。研究表明,四种典型煤种的水分与挥发分含量均随煤阶的增高呈现降低的趋势,碳含量总体呈现增加趋势,氧含量逐渐减小,氢和氮含量差别不大。随煤质挥发分与灰分含量的增高,镜质组含量逐渐降低,而惰质组与壳质组逐渐增高。镜质组组分、发热量和镜质体反射率随碳含量的增大逐渐增高,惰质组和壳质组则逐渐降低。煤中孔隙度增高,挥发分和灰分含量逐渐降低。煤的热解过程分为三个阶段,常温～300℃长焰煤和气煤的失重率分别为4.10%和4.48%,褐煤与弱粘煤失重率分别为10.95%和9.96%;300℃～650℃四种典型煤均发生剧烈的热分解和解聚反应,失重率分别为26.47%、28.61%、21.05%和17.58%;650℃至终温,热解反应趋于平缓,失重率分别为3.93%、3.90%、4.88%和4.50%。热解过程固体焦收率随煤阶升高而增大,而液体和气体收率则有所减少。几种煤热解焦油重质组分差异明显,长焰煤含量最高为19.11%,弱粘煤和褐煤含量较低,轻质组分含量刚好相反,中质组分含量最高的为气煤,弱粘煤和褐煤较低。长焰煤和气煤热解焦油以醇醛酯类、烷烃类和烯烃类为主,占比约为54.76%～63.55%,褐煤和弱粘煤则以杂环烃为主,占比为40%,烷烃、烯烃含量较少。四种煤的13CNMR分析结果表明,锡林浩特褐煤（XLHT-HM-1）、奇台弱粘煤（QT-RN-1）结构中均含有较高的脂肪碳,氧连碳(fOal)和亚甲基碳或次甲基碳(fHal)较大分别为15.38%和16.13%,对应较多的脂肪碳结构,芳香环通过脂肪链连接,形成大量的杂环类热解产物。艾维沟气煤（AWEG-QM-1）结构中主要以芳香环和甲基碳为主,甲基碳或季碳(f*al)为13.30%,说明结构存在大量芳香环和甲基碳,热解产物主要为烷烃和醇醛酯类。巴拉素长焰煤（BLS-CY-1）中主要含有芳香环与较多的羧基碳和羰基碳结构,羰基或羧基（fCa）值为5.95%,热解产物主要是醇醛酯类。在对主要产煤区5865个煤样测试数据统计分析的基础上,建立了基于煤物性参数五大类典型煤的评价指标和方法体系,对煤岩组分、煤质特性及煤物理、化学与工艺性质的不同评价指标参数进行了划分。将熵权法引入物元分析理论中,确定了影响煤炭物性参数指标的权重,避免了单因素决策的片面性和人们主观认识差异所引起的决策失误。确定了煤物性参数与其热解产物之间存在着复杂的非线性定量关系,利用灰色关联理论分析煤炭物性参数对煤热解产物的影响因素的权重及主控因子。以煤中挥发分、热稳定性、碳元素含量、镜质体反射率、全硫、发热量、氧元素含量、灰分和氢元素含量等9个为输入因子,建立了基于煤热解产物收率9-19-3网络结构的人工神经网络预测模型,人工神经网络预测模型明显优于多元线性回归方程预测,与实测值相比预测相对误差控制在±10%范围内,说明预测模型的精确度和可靠性较高。整体预测的稳定性、可靠性更高。
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