低煤级煤热解模拟过程中主要气态产物的生成动力学及其机理的实验研究.pdf

低煤级煤热解模拟过程中主要气态产物的生成动力学及其机理
的实验研究
煤成气藏中气体的化合物组成以及煤的人工热降解产物的化合物组成均表
明,甲烷、低碳烃类(C2-C4)、二氧化碳、水和氢气是煤化作用过程中的主要气态
产物。在过去的几十年中,对这些气态产物的生成动力学已进行了大量的研究,
并建立了三种脱挥发分模型,但由于煤结构的复杂性,对这些产物的生成机制还
有待于深入系统的理解。
由于系统的煤化作用理论必须建立在深刻理解煤热解产物生成机制的基础
上,因此从分子水平上了解气态产物的生成机制以及热解产物生成动力学与煤结
构之间的关系,是目前煤地质学、煤化学以及有机地球化学的重要研究内容之一。
低煤级煤由于处于煤化作用的低级阶段,对低煤级煤热解特征的研究有利于对整
个煤化作用阶段的了解。
由沥青化作用所导致的第一次煤化作用跃变引起了煤的物理化学性质突变
性变化,其实质与机制有待于从分子水平上来揭示,因此本文重点对镜质组反射
率分别为 0.33%、0.47%、0.51%、0.62%、0.65%、0.70%和 0.81%的霍林河褐煤(HLH)、
义马褐煤(YM)、神华长焰煤(SH)、兖州(YZ)、铁法(TF)及平朔气煤(PS)和大同不
粘煤(DT)的大分子结构演化特征及其对热解气态产物生成的影响进行了系统的
分析,期望能深入理解第一次煤化作用跃变的分子机制。同时,由于低煤级煤含有
较为丰富的各种侧链和官能团结构,从煤分子工程的角度来说对其热解特征与机
制的系统理解也是发展与深化煤分子工程的基础。
本文应用傅立叶变换红外光谱(FTIR)法分析煤的大分子结构特征及其各种
官能团的分布,而采用 X-射线衍射(XRD)对煤的聚集态结构进行表征,同时,对部
分煤还进行了核磁共振(NMR)实验和拉曼光谱(RAMAN)实验。在对煤结构进行系统
分析的基础上,对煤进行了热重质谱联用(TG/MS)实验,研究了煤的热解特征和热
解产物的生成动力学特征。
主要结论如下:1.对煤的 FTIR 结构参数分析表明,A(1703+1745)/A1618、
A(1703+1745)/A(2800-3000)、A1745/A1618 以及 Har/Hal 均在第一次煤化作用
跃变附近(镜质组反射率 0.60%)最小;而 A1618/A(1703+1618)在第一次煤化作用
跃变附近最大。这就从分子水平上揭示了第一次煤化作用跃变的特征和实质,为
深入认识第一次煤化作用跃变打下了基础。
2.对不同方法得到的结构参数之间的相关关系进行分析发现,表征芳香层片
的延展度 La 与表征脂肪链长程度的参数 A2924/A2964 线性正相关,而芳香层片的
层间距 d002 与红外参数 A(700-900)/A1460 负相关。这说明在低煤级阶段脂肪侧
链具有定向性,表现在煤微晶结构的延展度 La 不仅与芳香结构有关,而且