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煤炭学报
煤炭学报

刘峰

月刊

0253-9993

mtxb@vip.163.com

010-84262930

100013

北京和平里青年沟东路5号煤科院内

煤炭学报/Journal Journal of China Coal SocietyCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>《煤炭学报》于1964年创刊，为季刊。1966年停刊，1979年复刊， 1993年改为双月刊，1995年改为大16开本，并申办创刊了《煤炭学报》英文版《Journal of Coal Science & Engineering(China) 》，半年刊。《煤炭学报》是中国煤炭学会主办的煤炭系统最高水平的综合性学术刊物，现为双月刊，112页。主要刊载与煤炭科学技术相关的基础理论和重大工程研究的理论成果，包括煤田地质学、矿山岩体力学、采矿工程、煤矿安全、环境保护、煤矿机电一体化、煤的加工与利用、煤炭经济研究等领域的学术论文。30多年来，为传播煤炭科学技术起到了重要的作用。 多年来，《煤炭学报》一直以“登一流文章，创一流期刊”为指导思想，培养了一支基础理论知识扎实、专业水平高的稳定的编辑队伍，使《煤炭学报》质量逐步提高。《煤炭学报》1992年荣获全国第一届优秀科技期刊评比二等奖，获中国科协优秀科技期刊二等奖；1997年获全国第二届优秀科技期刊评比一等奖，获中国科协优秀科技期刊一等奖；1999年荣获首届中国期刊奖；2001年入选“中国期刊方阵”,并被评为“双奖期刊”。《煤炭学报》在包括10名中国科学院、中国工程院院士的编委会领导下，每年都制定了明确的报道重点，使刊物能紧紧围绕煤炭重大科技攻关项目发表相关的基础理论论文。《煤炭学报》发表的论文反映了煤炭科学技术的最新研究成果，起到了促进煤炭科学技术交流和发展的龙头作用，为繁荣煤炭科学技术事业作出了重要贡献。《煤炭学报》被国内外近20家数据库和文摘期刊所收录，如IEA Coal Abstract CD-ROOM（美国）、 Ei Page One、美国的能源科学与技术数据库、美国地质文摘、中国科学技术期刊文摘数据库、中国科学引文数据库、日本科学技术文摘速报、РЖ、Coal Highlights（英国）、Geological Abstract（英国）、Geomechanics Abstracts（英国）、中国学术期刊文摘、中国力学文摘、矿业文摘等等。
正式出版
收录年代

    基于双极膜电渗析的膜集成技术的高矿化度矿井水资源化处理

    刘兆峰郭强王霄唐佳伟...
    2462-2471页
    查看更多>>摘要：在当前煤矿矿井水"零排放"及煤炭与水资源逆向分布背景下，西部矿区的高矿化度矿井水如若不进行合理处置便直接排放，不仅对当地生态环境造成不可估量的破坏，而且造成严重的水资源浪费，最终将制约煤炭绿色开发与生态文明建设。传统的高盐废水零排放技术主要是利用蒸发结晶技术将无机盐由溶液态转变为结晶态进行回收。从经济性方面分析，该技术受投资高、运行成本高、无机盐附加值低等问题制约。基于此，以西部某矿井水为原水，以矿井水资源化零排放利用及脱盐低碳化为目标进行膜集成工艺设计，并在此基础上重点探讨电渗析和双极膜电渗析工序不同操作条件(操作电压、进料液浓度、温度、酸碱度、电流密度等)对电渗析脱盐性能及双极膜电渗析制酸碱性能的影响规律，之后以实验数据及经济评估模型，探究其经济可行性，旨在探索出适用于西部矿区高矿化度矿井水处理的膜集成技术，为高矿化度矿井水绿色资源化处理工艺的开发提供新的研究思路。通过对电渗析-双极膜电渗析实验过程探究，发现双极膜系统进料液质量浓度应不超过 80 g/L、适宜的操作电压为 18 V、适宜的进料液温度为 25℃、进料液pH保持中性、更适合采用恒电压操作。此外，证实了以双极膜电渗析为核心的膜集成系统可实现高矿化度矿井水绿色资源化处理，以电渗析系统进料液总含盐量20 g/L为例，总的净收益为18604299元/a，且在耦合光伏电力供应系统时具有明显的二氧化碳减排效应，二氧化碳减排将超过 3162 t/a，具有良好的经济效益和社会效益。

    高矿化度矿井水集成膜系统零排放双极膜电渗析技术矿井水资源化

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    生物-电催化转化二氧化碳的高值化利用研究进展

    解佳乐张天宇彭章頔林日琛...
    2472-2489页
    查看更多>>摘要：中国是世界上最大的二氧化碳(CO2)排放国和煤炭消费国，且以煤为主的能源结构短期内难以改变。在"碳达峰"和"碳中和"背景下，将CO2 捕集、存储或将其利用转化为高价值燃料和化学品，可减少对化石燃料依赖并同时降低CO2 排放，为燃煤电厂和能源化工的绿色转型提供关键技术支撑。电催化和微生物转化是利用CO2 生成可再生燃料及化学品的重要途径。电催化还原CO2 反应速率快，但产物种类多限于C1 和C2 的产物。微生物固定CO2 产物选择性高、多碳产物种类多，但电子传递和能量供给水平低导致反应周期长。将电催化还原CO2 和微生物转化耦合，可充分发挥两者的优势，有望实现高效制备高价值的多碳产物。分别介绍了单一技术路线下电催化还原和微生物固定CO2 的反应原理和典型产物，讨论了催化剂和反应器类型对电催化还原CO2的影响，总结了微生物固定CO2 的微生物种类和生物代谢路径;综述了原位耦合和异位耦合 2种电催化-微生物转化技术的耦合方式，概括了其系统构成、工作原理、电极材料及高值产物类型等。最后，对比了不同耦合方式的技术成熟度，并从电催化还原CO2 催化剂和反应器的开发和设计、高效工程菌种的构建、耦合体系的设计与集成和推动研究开发与产业联动4个方向进行展望。

    CO2转化电催化微生物转化耦合电催化与微生物转化

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    深部煤层地下煤气化原位点火的CFD模拟

    张友军肖逸张正张浩宇...
    2490-2497页
    查看更多>>摘要：地下煤气化(Underground Coal Gasification，UCG)作为一种新型采煤技术受到了广泛的关注，但UCG的实验成本较高，在开展UCG实验之前应当对煤层的演变机理进行深入的探究。计算流体力学(Calculated Fluid Dynamics，CFD)可以凭借计算机强大的计算能力，以较为低廉的成本模拟UCG的生产过程。采用Ansys公司开发的CFD软件Fluent模拟了 1 000 K烟气加热下深部煤层的原位加热着火过程，重点分析了温度、氧气摩尔分数和孔隙度的变化。结果表明，泵入500 s的 1 000K烟气不足以点燃煤层，1000 s的烟气加热时间足以点燃煤层，该结果在时间上与劳伦斯实验室的点火时间相当。在煤层内表面，高温主要集中在靠近入口 0～0。6 m内的煤层。着火前的最高温度低于加热烟气入口温度1000 K，而着火后的最高温度超过1000 K，最高温度约1250 K。O2 在高温区几乎全部消耗，而在其他温度较低的区域，到达煤层内表面的氧气摩尔分数不到 2%。高温区孔隙度迅速增长，在 1000s时部分煤层孔隙度可达 0。9左右。在煤层内部，煤层越厚，温度上升越低。在 1000s和 2000s时，7 cm线上煤层的最高温度仅为 500 K左右，远低于相同加热时间下煤层内表面的最高温度。在 2 000 s的点火过程中，渗入 7cm和 14 cm煤层中的氧气较少，内部煤层孔隙度均在0。4以下。较低的孔隙度是由较低的温度和较低的氧气摩尔分数共同造成的。对温度、氧气摩尔分数和孔隙度的模拟可为如何促进煤层内部的反应提供参考。

    地下煤气化CFD模拟点火温度氧气孔隙度

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    Cl/S与Na相互作用对Shell气化炉合成气冷却器入口积灰机制的影响

    蔡兴瑞王跃凤杜雨佳薛皓天...
    2498-2506页
    查看更多>>摘要：Shell干粉煤加压气化是煤炭洁净高效利用的重要技术之一，由碱金属化合物引起的合成气冷却器入口积灰结垢是导致气化炉非正常停工检修的主要原因。以添加不同含量的Na、Cl和S的Shell气化炉飞灰为原料，利用自主设计的高温竖直炉中沉积探针模拟Shell气化炉合成气冷却器入口管路，通过对积灰进行内、外分层研究，探讨内外层积灰质量的变化，并结合ICP-MS、IC、SEM-EDS和XRD等表征手段对内外层积灰的理化性质进行比较分析，获得Na、Cl、S和Fe等不同元素之间的相互作用对积灰行为的影响。结果表明，内层积灰质量随时间延长而增大，含S化合物的添加会降低内外层积灰质量，且外层积灰质量会随着时间延长而减小。Na更多以铝硅酸盐形式在外层积灰中存在，促进积灰增长;Cl通常以碱金属氯化物的形式集中在初始黏性层;S的存在会减缓管路积灰;当Cl和S共同存在时，Fe易与灰中的Si、Al和Na形成多种低温共熔物促进内、外层积灰熔融。Shell气化炉合成气冷却器入口积灰形成机制为:飞灰颗粒组分在Na、Cl、Si和Al的共同作用下，于内层形成碱金属氯化物和铝硅酸盐共晶;同时Cl、S的存在促使Fe和Na迁移到这些共晶中，形成Fe-O-Si、Fe-O-S和Fe-Na-O-Al-S共熔体。进而，铝硅酸盐与多种低温共熔体相互熔融使灰颗粒尺寸增加，促进积灰的进一步生长。

    积灰合成气冷却器Shell气化炉SClNa

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    煤系沥青包覆再生石墨微观构造及电化学性能

    岳彦龙林雄超张玉坤高红凤...
    2507-2518页
    查看更多>>摘要：石墨负极材料易在石墨层间与电解液发生共嵌入导致石墨层膨胀、粉化脱落，严重影响石墨负极材料的循环稳定性。利用沥青对石墨负极进行包覆，形成不定型碳层包覆的"核壳"结构，可减少石墨层的膨胀脱落，提高石墨负极材料的电化学性能。以中温煤焦油沥青为原料，通过空气氧化和聚合交联制备得到高结焦值、高软化点的包覆沥青。通过液相包覆方法，考察了对再生石墨负极的包覆性能。采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、氮气吸附、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等方法分析了再生石墨包覆形貌与界面微观结构变化，并对材料电化学性能进行了测试。结果表明，沥青包覆可有效完善再生石墨微观构造。随着沥青包覆量的增加，石墨表面缺陷减少，比表面积和孔容降低;炭化后包覆界面形成不定型碳层，包覆界面无序度随沥青包覆量的增加而升高。不定型碳包覆层的形成显著提高了石墨负极性能，包覆 12%沥青的再生石墨比容量达到 450 mA·h/g，相比未包覆石墨提升 140 mA·h/g;沥青包覆石墨负极首次库伦效率增加 11。5%，并且循环稳定性获得改善;在 5 A·h下比容量提高至 285 mA·h/g，相比未包覆再生石墨提高242。8 mA·h/g，倍率性能突出。

    包覆沥青"核壳"结构氧化交联液相包覆再生石墨

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    烟煤镜质组分性质及对活性炭结构特性的影响

    朱玉雯王天阳徐杨刘健...
    2519-2528页
    查看更多>>摘要：以大同烟煤和新疆烟煤为原料，采用密度离心分离法提取镜质组富集物，采用气体活化法制备活性炭。对比研究原煤及其镜质组的结构性质差异，以及经炭化和CO2 活化后微晶及孔结构的特性变化。采用傅里叶变换红外光谱法对比分析了原煤及其镜质组芳香烃和脂肪烃结构的差异，采用X射线固体粉末衍射法全过程分析了原料、炭化料和活性炭的微晶结构参数及芳香度变化，采用N2 吸附法研究了炭化料和活性炭的孔结构特性变化。结果表明:相比于原煤，镜质组富集物的微晶单元尺寸较小，脂肪链长度较短，且支链数量较多，有利于增强炭化过程的流动性。经热重分析法得到镜质组的炭化失重率较高，且失重峰较宽。上述结构性质及反应性差异影响了炭化料的结构特性。经过 850℃炭化后，镜质组炭化料的微晶层片尺寸和堆积厚度均增加，原煤炭化料仅增加了层片尺寸，而堆积厚度有所降低，说明显微组分差异主要影响了炭化过程中芳香层片的纵向堆叠。同时相比于原煤炭化料，镜质组炭化料的芳香度较高，BET比表面积和总孔容积相对较大。经过CO2 活化后，活性炭的微晶堆积厚度及层片尺寸均低于对应的炭化料，说明CO2 活化烧蚀了微晶结构。同时，活化形成了以微孔为主的孔结构，其中镜质组活性炭的BET比表面积分别达到 744。1和 797。4 m2/g，显著高于原煤活性炭。镜质组活性炭的微孔和中孔容积也较高，其中微孔容积达到原煤活性炭的 1。7～2。2倍。上述结果说明芳香度较高、初始孔结构较多的炭化料有利于活化形成更加丰富的微孔结构。

    烟煤镜质组活性炭微晶结构孔结构

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    4种新疆煤无机特性及其对超细颗粒物生成的影响

    朱京冀曾宪鹏喻鑫于敦喜...
    2529-2537页
    查看更多>>摘要：深刻理解新疆煤的无机特性对其燃烧颗粒物生成的影响规律，对于新疆煤的清洁高效利用具有重要意义。选取五彩湾煤(WCW)、万象煤(WX)、天池煤(TC)和西黑山煤(XHS)，深入研究了它们的无机特性及其与超细颗粒物生成之间的关联关系。结果表明，4种新疆煤主要为低灰、低硫褐煤;煤灰富含碱性元素，其中，Na2O质量分数普遍高于常规动力煤(3。58%～7。13%)，WCW和WX煤灰中CaO质量分数超过 33%，但SiO2 和Al2O3 质量分数较低，WX煤的高Na、高Cl特性尤为突出;煤中Na以水溶态为主(占比 62。3%～90。6%)，K则主要以盐酸不溶态存在，Fe以盐酸溶态和盐酸不溶态为主，而Ca、Mg在不同形态中的分布因煤种而异。新疆煤燃烧超细颗粒物组成均以Na、K、Cl、S为主，以Na2O+K2O+Cl+SO3 的质量分数高于 50%为判定条件，准确界定了超细颗粒物的粒径范围。其中，WCW煤、TC煤和XHS煤的超细颗粒物具有相似的粒径范围(≤0。07 μm);而水溶态Na含量最高的WX煤的超细颗粒物粒径范围更宽(≤0。76 μm)。研究发现超细颗粒物的生成量y与煤中水溶态(Na+K)总量x呈高度线性正相关，关系式为y=0。528x-0。239，相关系数为0。948。

    新疆煤燃烧超细颗粒物碱金属

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    基于煤颗粒-结合水复合相的水煤浆导热系数预测模型

    蒋海锋张华驰赵辉许建良...
    2538-2546页
    查看更多>>摘要：水煤浆气流床气化是目前大型先进煤气化技术之一，提升水煤浆气化效率有助于推动煤炭清洁高效利用。水煤浆预热技术被认为是提高煤气化能源利用效率的关键技术之一。目前，复杂液固悬浮液导热系数的变化规律和内在机理仍未被完全认识。导热系数是介质流动换热的重要基础参数，表征着其在稳态导热过程的导热能力。利用瞬态热线法测定不同温度下相同质量分数水煤浆的导热系数，实验结果表明:温度越高，导热系数越高。在室温下测定不同质量分数下水煤浆的导热系数，实验结果表明可以分为 2个阶段:质量分数从 51%增大到 58%时为下降区，导热系数快速下降，由 0。401 W/(m·K)降至 0。358 W/(m·K);而质量分数继续增加，从 58%到 67%时为恒定区，导热系数基本保持在 0。358 W/(m·K)。基于实验结果，综合考虑平行模型、麦克斯韦模型、广义自洽模型等复合材料模型，提出煤颗粒-结合水复合的水煤浆导热系数平行预测模型。水煤浆中的水分包含自由水和结合水，结合水会和煤颗粒形成煤颗粒-结合水复合相，将水煤浆视为复合相和自由水相组成的两相复合材料。在下降区，随着煤颗粒质量分数的增加，自由水相减少，复合相不变，水煤浆导热系数快速降低;在恒定区，随着煤颗粒质量分数的进一步增加，复合相中的结合水量减少，但复合相的导热系数基本维持稳定。

    水煤浆质量分数导热系数煤水复合模型结合水

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    矿用防爆柴油机四元组合式尾气后处理系统设计及性能试验

    张磊唐彬展鲍久圣胡志伟...
    2547-2560页
    查看更多>>摘要：防爆柴油机是矿井辅助运输车辆使用最为广泛的动力源之一，受防爆改造以及井下恶劣环境的影响，导致其尾气污染问题严重，有悖于绿色矿山发展战略。煤矿井下自 2020年 12月开始实施非道路国Ⅲ排放标准，但现阶段矿用防爆柴油机尾气净化多采用机内前处理技术，无法满足非道路国Ⅳ及更高标准的排放要求。针对防爆柴油机尾气污染严重及净化技术滞后的问题，设计了一种新型四元组合式尾气后处理系统，并通过仿真和台架试验开展了关键部件结构参数优化及尾气污染物净化性能研究。首先，按照煤矿井下防爆要求，超前面向非道路国Ⅳ尾气排放标准，设计了一种由氧化催化剂(DOC)、颗粒捕集器(DPF)、选择性催化还原器(SCR)和防爆温控装置(EPTC)组成的防爆柴油机四元组合式尾气后处理系统;采用STAR-CCM+仿真软件对防爆温控装置结构进行传热分析，结果表明:管壁面温度均小于 150℃，可满足煤矿安全规程防爆要求。其次，以某型 60 kW防爆柴油机为研究对象，基于GT-Power软件分别搭建了DOC、SCR和DPF后处理部件的仿真模型，并对其关键结构参数及净化性能开展正交试验进行优化，确定了尾气后处理系统关键部件的最优结构参数，得到如下规律:污染物的净化效率随DOC和SCR的载体直径、载体长度和通道密度的增大而提高;载体长度和载体直径对DPF捕集效率与DOC和SCR规律一致，而DPF因其特殊的壁流式载体结构，随着通道密度增加，PM颗粒物的捕集效率可始终维持在 96%附近。在此基础上，建立了防爆柴油机和后处理系统的耦合模型，开展了防爆柴油机尾气排放污染物净化效率、动力性与经济性仿真试验。最后，研制了四元组合式尾气后处理系统样机并开展台架试验，将试验数据与仿真数据对比分析，结果表明:尾气后处理系统对CO、NO、HC与颗粒物的净化效率分别大于 95%、90%、83%以及 95%，可满足非道路国Ⅳ排放要求;加装尾气后处理系统的防爆柴油机整体输出扭矩平均下降 4。83%，整体燃油消耗率平均增加 1。19%，对防爆柴油机的动力性与经济性的实际影响较小。

    防爆柴油机尾气后处理"四元"组合式参数优化非道路国Ⅳ

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    基于多特征融合的露天矿区道路负障碍检测

    阮顺领鄢盛钰顾清华卢才武...
    2561-2572页
    查看更多>>摘要：随着智慧矿山概念的逐步落实，智能化、无人化逐渐在矿区落实，露天矿卡车无人驾驶日益成为矿山智能化建设的主要内容，为解决露天矿区复杂多变的道路因坑洼、塌陷等路面小部分下陷出现的非规则负障碍而导致矿区无人车、重载卡车侧翻等安全难题，提升矿区安全驾驶系数，提出一种多特征融合的露天矿区道路负障碍检测方法。该方法使用BiFPN特征融合模块，提高小型负障碍检测权重占比;引入空间和通道双注意力机制提高对负障碍边缘的特征提取和特征融合能力，从而提高对道路小尺度负障碍的检测精度;采用SIoU Loss作为模型边界框损失函数并使用K-means++方法优化Anchor以提高负障碍检测模型的收敛速度和边界框定位效果，并基于遗传算法优化超参数让模型更贴合矿区场景，最终实现对矿区道路负障碍的快速精准识别。实验表明该检测模型能快速准确识别复杂背景下露天矿区道路负障碍目标，对道路负障碍目标的检测精度、召回率、平均精确度均值分别达到了 96。9%、89。9%、95。3%，且该模型大小仅有 12。7 MB。对比其他主流检测网络，该网络模型更适合复杂环境下露天矿区非结构化道路行驶安全需求，且该检测模型的鲁棒性好，可适配于多种情况的露天矿区，为实际环境复杂多变的露天矿区非结构化道路负向障碍检测提供了可行的方法，为露天矿无人卡车安全生产运输提供安全预警。

    露天矿区无人卡车负障碍检测特征融合安全预警

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