基于量子/分子力学的褐煤脱水能量分析的基础研究

我国褐煤资源保有储量达1300亿t,占全国煤炭储量的13%左右，高含水（20%-50%）特征是褐煤资源高效开发利用的障碍，但目前褐煤脱水技术的共性问题是能耗高和水分复吸严重。褐煤脱水能耗高关键是没能找到与相应赋存状态水相适应的脱水方式。本项目在研究水的赋存形态、含氧基团和含水微孔的赋存规律，含氧基团-孔隙-水的内在作用机制的基础上，采用量子/分子力学分析手段探索不同水分赋存状态脱水过程的微观机理，分析水分脱除可能存在的通道，计算不同赋存状态的水脱除所需的理论能量，建立理论能量数学模型，为寻找合理脱水方式指明方向。而褐煤脱水后表面不稳定性为吸水可逆性提供了条件。本项目将在探明褐煤脱水后的组成、孔结构、界面特性变化规律的基础上，通过量子/分子力学研究不能量形式和大小对脱水褐煤表面能的影响，探索调控脱水褐煤表面稳定性的有效途径。该项目的研究将对降低褐煤脱水能耗和控制水分复吸具有重要的科学意义。

本研究通过密度泛函计算，对几类代表性褐煤分子结构的持水性质和脱水过程进行了理论计算，获得了不同有机结构单元和不同环境下褐煤脱水的物质能量响应规律。理论计算结果表明，褐煤中不同类别官能团与水的相互作用能存在差异，其强弱顺序依次为：羧基>酚羟基>羰基>苯环，随着吸附水分子数目的增加，分子间的相互作用能由于协同效应明显增加。水分子以水簇形式脱除时，脱除水簇越大，液态形式脱水优势越明显；体系含水量下降到5%后，脱除所需的理论能量最大，为60.38 kJ/mol，同时获得褐煤微结构对脱水过程的限域效应。. 通过不同能量形式（热能和机械能）和能量强度（时间）对褐煤脱水特性的实验研究，获得褐煤脱水曲线和脱水褐煤含氧官能团和孔结构随能量形式和强度的变化规律，以及褐煤脱水过程机理。不同能量形式的褐煤脱水实验结果表明，热作用下的褐煤脱水过程分为两个阶段，120℃之前脱除褐煤中的自由水和部分孔隙水，120℃之后脱除少量的孔隙水和部分分子水，褐煤蒸发脱水过程中外在水析出所需的能量是纯水蒸发的1.14倍。将水势理论引入褐煤脱水过程中，得到褐煤颗粒内部水分传递的差分模型；在褐煤低温脱水过程中，颗粒内部产生干燥应力发生体积收缩，主要受颗粒表面的湿度梯度控制，得到褐煤颗粒表面开裂的应力条件。. 对不同能量形式作用的褐煤的水分复吸实验的研究结果表明，GAB模型是较优的脱水褐煤的水蒸气等温吸附模型，含氧官能团的减少和孔径的缩小有利于抑制水分复吸。褐煤中的可溶性离子Na+和SO42-对脱水褐煤的复吸影响较大。