低中變質程度煤的結構特征及熱解過程中甲烷、氫氣的生成機理.pdf

1、煤的組成結構不僅是煤化學研究的重要內容，而且是煤高效潔凈利用的基礎。從化學組成上來說，煤是由大量具有不同分子量的分子組成的混合物；從巖石學角度來說，煤是由不同顯微煤巖組分組成的；從結構化學來看，煤是一種短程有序、長程無序且具有層次結構的非晶態(tài)固體物質；從成因來看，煤具有階段性演化特征，即從褐煤經煙煤至無煙煤的演化，其物理、化學性質的演變具有階段性演化的特點．這些特點說明煤結構具有復雜性：因此，利用不同的物理化學方法研究煤組成結構，不僅為

2、煤科學的發(fā)展提供理論依據，也為煤炭轉化奠定科學基礎。 本文所選用不同變質程度的—烏尼特、神華、烏蘭圖嘎、霍林河、義馬、鐵法、平朔、芒來、錫凌和哈達圖煤作為研究對象，通過FTIR描述了低中變質程度煤煤化作用的地球化學機理，通過TG-MS分析了煤熱解過程中生成甲烷、氫氣的生成特征及生成動力學。 煤樣FTIR的研究結果表明，首先，隨著煤變質程度的增加，煤中脂肪烴含量逐漸減少，其芳構化逐漸增大?；袅趾?、義馬等低中變質煤樣脂肪烴含

3、量較多，脂肪鏈較長，芳脂比較小，具有較大的生烴潛力；而高變質程度的哈達圖煤樣的脂肪烴含量較少，芳香度較大，脂肪鏈變短。隨煤化程度的增加煤中芳香度呈線性增長；另外，低中變質煤中含氧官能團主要以側鏈形式出現(xiàn)，含量較高，而由低變質程度煤到高變質煤的轉化過程中，側鏈上的含氧官能團逐漸斷裂，到了高變質煤主要以氧橋的形式出現(xiàn)。煤樣TG-MS熱解甲烷、氫氣逸出規(guī)律表明，甲烷的開始析出溫度較早，氫氣較晚，二者析出溫度范圍都較寬；煤樣的總失重量與煤的揮發(fā)

4、分含量成正比；煤樣的熱解特征溫度基本上是隨煤化程度的提高而增大；熱解氫氣產生的量與煤中氧含量的多少有一定關系。 從煤的紅外光譜和煤熱解動力學過程，結合低中變質程度煤的結構特征，可知：熱解甲烷的生成由低溫下的脫附和以下四種基元反應組成：(a)和氧、硫等雜原子相連的脂肪鏈斷裂，形成甲基自由基，與氫結合形成甲烷；(b)較短的脂肪烴類官能團位斷裂形成甲基，進而生成甲烷；(c)長鏈脂肪烴物質二次裂解形成甲基；(d)由于芳香結構的縮聚，從脂

5、肪結構中釋放出來的碳生成的。熱解生成氫氣由以下五種基元反應組成：(a)溫度較低時，氫化芳香結構的脫氫；(b)由幾種化學反應生成：C+H<,2>O→CO+H<,2>，CO+H<,2>O→CO<,2>+H<,2>；(c)脂肪鏈烷烴環(huán)化；(d)環(huán)烷烴芳構化的結果；(e)裂解后期芳香烴的縮聚產生的。 從熱解甲烷的四種反應類型看出：第一個反應類型的活化能都比較低，第二、三反應類型的活化能較大，是甲烷生成的主要階段，第四反應的活化能又有所下

6、降，但這一階段的活化能要比第一反應的活化能高。煤熱解甲烷的生成是由三種或四種反應類型組成，各反應類型對應于不同的煤中官能團熱解斷落，各峰的活化能表明甲烷的生成是由不同的化學反應所導致的，而甲基的生成曲線特征與熱解甲烷具有較好的對應關系，表明甲基與甲烷的生成是密切相關的。在煤的演化過程中，表征煤結構的參數與熱解生成甲烷、氫氣各反應類型的活化能密切相關；隨著H/C和O/C的減小，煤熱解生成甲烷各反應類型的活化能基本呈增大的趨勢，而氫氣呈現(xiàn)先