神府煤固定床低温热氧化降解研究

在固定床反应器中研究了神府煤不同密度级组分的低温（60~80 ℃）氧化降解过程.研究发现：神府煤的中低密度组分（D2和D3）含有较高的长链烷基侧链,高密度组分（D4）矿物质相对富集,芳香度较高.神府煤及其密度级组分在氧气中的低温氧化降解反应活性有差异,D2密度组分的氧化降解活性最高,而D4组分氧化降解生成的CO2产率最大.腐植酸是煤低温氧化过程中的重要中间产物.随氧化时间的增加,氧化煤样的腐植酸产率增加,相应的溶胀度降低,表明煤大分子氧化降解程度增强.     

煤化程度对煤样热解焦油组成特性的影响

为研究煤化程度对煤样热解焦油组成特性的影响,采用热分析装置对不同变质程度煤样进行热解实验。在此基础上,采用气相色谱质谱联用分析仪(GC-MS),研究了煤样热解焦油的组成特性。结果表明:随着煤样煤化程度增大,焦油中重质组分含量(沸点360℃)逐渐降低,而烟煤S热解焦油中轻油(170℃)、酚油和萘油(170~230℃)、洗油(230~300℃)含量略高于褐煤NM和烟煤XJ、HL。四种煤样热解焦油中含有2个和3个苯环结构的芳香化合物含量较含有1个苯环的芳香化合物含量低,且随着煤样中碳含量而逐渐增大。     

陕北侏罗纪煤不同显微组分的分子结构特征

为查明陕北侏罗纪煤镜质组与惰质组大分子结构特征及差异,运用X射线衍射分析（XRD）、傅里叶红外光谱（FTIR）对煤的大分子结构、芳香烃、脂肪烃以及含氧官能团等进行表征,计算了原煤及不同煤岩组分分离物中红外光谱结构参数。结果表明,富镜煤的XRD谱图不对称性高于富惰煤,富惰煤芳香层片面网间距d002小于富镜煤;富惰煤的芳香度、La和Lc均大于富镜煤与原煤,前者芳香层片堆叠的有序程度及芳香环的缩合程度较大;富镜煤中苯环四取代含量最高,表明其缩合程度高并含有较多的支链;各煤样脂肪结构均以亚甲基为主,且具有较多的烷基侧链,而富惰煤中亚甲基含量相对较少,归因于脂族结构断裂程度不同;富惰煤呈现富碳、贫氢、少氧,高芳碳率、芳香度、缩合程度和成熟度,含有较多的C=O结构,生烃潜力较富镜煤弱。研究为煤炭清洁高效利用提供了科学依据。     

不同变质程度煤的碳结构特征及其演化机制

应用X射线衍射(XRD)与核磁共振碳谱测试(13C-NMR)相结合的方法,对5个不同变质程度煤(WMC长焰煤、LL3焦煤、LL4焦煤、CZ无烟煤与SH无烟煤)的碳结构特征及其演化进行了研究。结果表明：(1)变质程度是影响煤中碳结构演化的最重要因素。随着煤变质程度的增加,煤中芳碳率增大,芳香核缩聚程度增加,芳香结构单元排列趋于有序。(2)变质环境对煤的碳结构演化具有重要影响。高温低压环境下,WMC煤中芳香结构单元发生超前演化,形成一系列堆垛高度大延展度小的芳香结构体系;脂肪类物质中,一方面脂肪侧链发生快速热解,形成较多的环甲基,另一方面煤中已有的脂肪环发生热解断裂,形成新的脂肪链,导致支链化程度增加。(3)中等变质程度的LL4与LL3煤中发生了显著的脂环化作用,导致其季碳含量明显增高,支链化程度降低。(4)随着变质程度增加,CZ与SH煤样中,脂肪环发生断裂,形成新的脂肪链致使支链化程度增加,成为高变质程度煤中形成更大芳香体系的前奏。     

易自燃煤低温氧化和阻化的微观结构分析

利用先进的傅里叶变换红外光谱仪,对易自燃煤的原煤样和阻化煤样在低温氧化过程中分子结构变化的红外光谱进行分析得出：易自燃煤分子结构以芳香环为主体的结构单元的侧甸首先被氧化,易被氧化的是其结构单元的桥键或桥键的侧链,主要包括甲基（－ＣＨ３）、亚甲基氧键的氧化速率最快,芳香环受到的影响较小;由于吸水盐类阻化剂与煤分子之间发生取化和络合作用,从而抑制了煤分子的基键氧化速率。     

不同变质程度煤的化学结构红外光谱研究北大核心

利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)实验及分峰拟合技术,对3种不同变质程度煤样进行官能团的定性与定量研究,计算并分析红外光谱结构参数。结果表明:随煤样变质程度的加深,羟基官能团逐渐增大,羟基-N与环氢键含量减少,羟基-π含量增多;在脂肪烃中,甲基含量升高,次甲基含量下降;含氧官能团逐渐减小,C=O呈下降趋势,羧基在低变质程度煤中含量最高,高变质程度煤几乎不存在羧基;芳香烃逐渐减小,芳香烃主要以三、四取代为主;随变质程度的提高,脂肪侧链长度变短,支链化程度提高,有机质成熟度提高,碳骨架更加松软;煤变质是脱氧、富碳的过程,高变质程度煤的芳碳率、芳氢率、芳香度和缩合度更高,使得煤中结构单元排列更加规则有序,结构更加稳定。     

微波辐射对霍州煤碳结构作用的FTIR研究

选择山西霍州煤进行915MHz微波辐照实验,对微波辐射后表层煤样、底层煤样进行FTIR解析,并与原煤样进行对比分析,研究微波辐射对煤中碳结构的影响。结果表明：霍州煤中芳香结构主要以苯环的二、四取代物形式存在,两者占芳香结构的73.58%,可见煤的缩合程度较低。脂肪结构主要以甲基(—CH3)和亚甲基(—CH2)结构存在,其中,—CH2在总脂肪结构含量中的占比达到77.43%,因此,原煤样品中存在有较多的烷基侧链。经过915MHz微波辐射过后,芳香结构中苯环单取代物和苯环五取代物含量降低,苯环二取代物和四取代物含量上升。微波辐射对煤样结构具有影响,辐射后表层、底层煤样与辐射前煤样相比,脂肪结构中—CH2对称与不对称伸缩振动产生的吸收峰相对含量分别上升了3.77%和10.75%,—CH伸缩振动和—CH3的不对称伸缩振的相对含量分别下降了3.26%、5.68%和0.51%、1.81%。     

神府煤和锡林浩特煤的非均相光催化氧化

采用悬浮式非均相体系分别对水合神府烟煤（SFC）及锡林浩特褐煤（XL）进行选择性光催化氧化、傅里叶红外光谱（FTIR）分析及气相色谱质谱联用（GS/MS）检测,获得了反应产物的分子结构信息。同时对不同条件下煤炭降解效果的研究发现:芳香度和芳环取代度较高的烟煤组分光氧化性较弱,氧化后的产物中有较多酮类生成,而芳环取代度小、含有较多亚甲基和脂肪族侧链的褐煤光氧化性能较强,生成物中烯烃的含量明显减少;催化剂二氧化钛对光催化反应的影响要大于氧化剂过氧化氢,但在仅有过氧化氢存在情况下,随着其加入量的增大光氧化效果会更显著,煤样的投加量对光催化的影响不占主导地位;光催化氧化中,煤大分子中的烷基侧链易断裂脱除,特别是甲基和亚甲基易发生光催化氧化分解,而且碳氧单键的红外吸收峰强度明显减弱,表明煤大分子的侧链和碳氧单键在紫外光辐射环境下反应活性高。     

沁水盆地北部中高煤阶煤结构的FTIR特征研究

为了研究中高煤阶煤中官能团的变化特征,以采自沁水盆地北部不同变质程度的10个煤样为研究对象,采用傅里叶变换红外光谱仪对样品进行了红外光谱(FTIR)分析。通过对FTIR曲线分峰拟合,可以获得煤中脂肪结构、含氧官能团和芳香结构的相对含量。研究结果表明:中高煤阶煤中,脂肪结构含量较低;芳香结构中,只有一个邻近氢原子的芳香环含量最高,芳香结构被替代的程度高;含氧官能团中,醚氧逐渐成为含量较高的含氧官能团,表明以醚氧形式存在的氧原子稳定性强。通过对煤样的最大镜质体反射率R_(max)进行测试,探讨样品红外结构参数与R_(max)的相关性,发现随R_(max)(1.1%～2.7%)的增大,芳香度增大,芳香结构的缩聚程度增加,反应生烃潜力的‘A’因子降低,表明在此阶段煤化作用的结果是芳香烃类物质增多。     

龙口褐煤萃取后微晶结构的XRD与HRTEM研究

为了获取褐煤的基本结构单元（BSU）组成信息,采用不同溶剂对龙口褐煤进行分级萃取,借助于X射线衍射仪（XRD）和高分辨透射电镜（HRTEM）,对比研究了褐煤大分子骨架结构的排列方式及其萃取前后微晶结构参数的变化特征。研究表明：随着萃取程度的增加,芳香层间距减小,而芳香层片的长度和宽度略有加大,但不同微晶结构,其参数值变化的机理不同;原煤的TEM图像比较清晰,芳香层结构及其排列方式较为均一,随着萃取级数的增加,高像清晰度降低;褐煤的大分子骨架主要以2~3个芳香碳网层片定向排列为主,局部单个层片散布,呈挠曲状、蠕虫状或交叉状;褐煤的超微孔主要是BSU之间的间隙或同一BSU间碳网层的孔隙。     

低煤阶煤的煤岩成分液化性能及实验研究

以西北侏罗纪煤中的镜煤和丝炭为研究对象,液化实验结果表明：同一变质程度的镜煤的液化转化率（9067%）、油产率（5888%）均高于丝炭;而不同变质程度的镜煤和丝炭,因其结构和性质的差异,随变质程度的增高,液化性能整体呈降低趋势。镜质组和惰质组分别作为镜煤和丝炭的主要物源,形成于截然不同的泥炭沼泽环境,致使结构和性质差异大。显微组分特征、红外光谱和分子结构模型分析表明：镜煤中活性组分含量高,H含量和脂肪氢含量高,大分子结构模型中21个单芳环,具有芳香性的吡咯环2个;丝炭中活性组分含量低于镜煤,含氧官能团多,碳含量和芳香氢含量高,大分子结构模型中14个单芳环、6个双芳环、1个三芳环,具有芳香性的吡咯环2个。     

中变质煤结构演化的FT-IR分析

选择5种有代表性的炼焦用煤,分属不同地方不同煤种的中等变质程度煤,在实验室条件下利用美国生产的FTS-165傅立叶变换红外光谱仪对其进行FT-IR分析,采用WIN-IR软件中的谱图解叠子程序针对煤特有的结构性质进行研究。结果表明:煤中存在5种类型的羟基,其与氧碳原子比（O/C）的关系较为复杂;随着煤中氧含量的减少,碳含量的增高,煤中各类脂肪类物质增加,在肥煤阶段达到最大然后减少;煤中含氧官能团的变化趋势为稳定的官能团具有增大的特征,而不稳定的则减少;在肥煤阶段其芳香烃碳-碳双键强度减小,然后又增大;提出在肥煤阶段煤化作用跃变是由于脂肪侧链和芳香体系相互竞争的结果。     

神华煤钌离子催化氧化解聚产物的FT-ICR MS分析研究

针对神华长焰煤初步开展了钌离子催化氧化法(RICO)的应用研究,对原煤进行降解反应并尝试运用高分辨电喷雾傅里叶质谱仪（ESI-FTMS）对氧化产物进行分析表征。结果表明,神华煤含有C-2～C-32烷基侧链和连接芳环之间的C-2～C-27亚甲基桥链,芳环缩合程度相对较低（主要以含有2～4个苯环的共轭结构为主）,有较多醚键连接的芳环结构及羟基（-OH）、羰基（CO）和甲氧基（-OCH-3）等含氧官能团存在。     

高阳炼焦煤碳、氧结构研究与光谱学表征

通过对山西高阳炼焦煤煤质分析及¹³C交叉极化/魔角旋转-核磁共振(¹³C CP/MASNMR)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)的联合解析,获取煤中芳香结构、脂肪结构、羟基基团、含氧官能团结构特征,以及芳碳率、芳氢率、芳核平均结构尺寸(Xb)等煤结构单元基本参数。研究结果表明,高阳炼焦煤中芳碳率为0.73~0.77,芳核平均结构尺寸Xb为0.43。苯环五取代、苯环四取代和苯环三取代是高阳煤中主要的芳香烃结构,占比分别为41.42%,30.65%和19.82%。亚甲基是高阳煤中最主要的脂肪烃结构,占比达到41.85%,甲基和次甲基含量分别为29.86%,28.29%,说明煤中含有较多的烷基侧链和环状脂肪烃。羰基和酚羟基是煤中最主要的含氧官能团,与芳环上π电子形成的羟基π氢键占煤中羟基结构的73.20%。在芳香烃碳原子个数为118的高阳炼焦煤分子模型中,脂肪烃碳原子个数为25~32,其中,甲基碳、亚甲基碳、次甲基碳、羰基和羧基的个数分别为7~8,9~11,6~8,5。氧原子个数为7,其中,羰基和酚羟基为6个,醚氧键和有机硫中的砜或者亚砜结构共用1个氧原子。构建高阳炼焦煤精准大分子模型需要更多的碳、氧原子个数,因此,必须对煤中硫、氮等杂原子结构做进一步的分析。     

煤低温氧化过程中微晶结构变化规律研究

煤自燃与其微晶结构有关,利用X射线衍射分析法,研究了褐煤、气煤、气肥煤和无烟煤4个原煤样和不同低温氧化温度下褐煤和气肥煤的微晶结构变化规律。研究结果表明,煤的微晶结构特征与其低温氧化之间有其内在的本质联系,煤矿物含量和微晶结构的差别,造成了它们低温氧化能力和自燃倾向性的差别;微晶结构随变质程度的加深造成自燃倾向性和低温氧化能力逐渐降低;层间距随氧化温度的增加而逐渐减小,芳香层片的平均直径随氧化温度的增加而逐渐增加,芳香层片的堆砌高度随氧化的加深而逐渐增大。     

中低温煤焦油重组分分离与表征

为深入理解煤焦油重组分化学结构,采用正庚烷沉淀与柱色谱分离法将中低温煤焦油重组分分离成饱和分、芳香分、胶质和沥青质。综合采用元素分析、红外光谱、分子量及核磁共振氢谱等分析方法对各组分组成与分子结构进行研究,并进一步推测各组分平均分子结构模型。结果表明：饱和分H/C原子比最高,几乎无杂原子,主要以长链烷烃结构形式存在,芳香分、胶质和沥青质组分,分子量、芳香度和杂原子含量依次增加。通过对比分析平均分子结构参数,发现沥青质比胶质含有较多的环烷环数,而芳香环数一样,说明煤焦油组分中较大分子量物质往往含有较多的杂环和环烷环系统,而不是更多的缩合芳环数。     

推覆构造的动力学特征及其对瓦斯突出的作用机制

逆冲推覆和重力滑覆的共性特征是存在一个以相对低的强度和高的剪切应变为特征的滑脱面或拆离层,分隔着其上下力学性质和应变特征不同的两盘。推覆构造对煤与瓦斯突出的作用机制主要表现为2个方面：① 推覆构造形成过程中低角度滑动对煤体产生广泛的压剪作用,使得煤层作为相对软弱层面结构发生广泛的层域破坏和面域破坏,构造煤非常发育;② 推覆构造的挤压应力环境以及地层增厚效应为瓦斯赋存提供了有利条件,低角度的主滑断裂面(大多为逆断层或逆掩断层)往往构成较好的瓦斯封闭系统,对瓦斯的赋存起一定的控制作用;推覆构造派生的具有压性特征的结构面形成了对煤层瓦斯系统的封闭作用。总体上推覆构造对煤与瓦斯突出的作用机制体现在其为煤与瓦斯突出创造了物质基础--高含量的瓦斯和低强度的煤体。     

煤炭资源的利用前景

分析了传统的煤炭利用工艺存在的问题和中国能源结构的发展趋势。指出煤的高碳含量、富含芳烃和杂原子等特性 ,使煤作为洁净能源利用先天不足 ,但作为获取高附加值化学品的原料利用得天独厚。通过对煤结构的深入研究 ,可望从煤出发获取煤基化学品、芳香高聚物和碳材料 ,实现煤炭资源向非燃料利用的转变 ,迎来煤化工的黄金时代。     

平顶山矿区构造煤傅里叶红外光谱和~(13)C核磁共振研究

利用傅里叶红外光谱(FTIR)和核磁共振(13C NMR)技术对平顶山矿区不同变形程度构造煤和原生结构煤的分子结构差异进行了分析。红外光谱分析表明,构造煤的生烃潜能('A')和脂肪链长及支链化程度(B)均小于原生结构煤,芳脂比(I)大于原生结构煤,缩合度(DOC)变化不明显;随变形程度的增加,构造煤生烃潜能('A')逐渐减小,缩合度(DOC)逐渐增加。核磁共振分析结果显示,官能团对煤中芳碳率和脂碳率的变化有一定贡献,芳碳区存在显著差异的主控因素为带质子芳碳和桥接芳碳(fH,Ba),脂碳区中的主要影响因素是亚甲基碳(fb2);随变形程度的增加,构造煤中亚甲基碳(fb2)逐渐减小,带质子芳碳和桥接芳碳(fH,Ba)逐渐增加。通过对构造煤化学结构的傅里叶红外光谱和核磁共振分析,进一步揭示了构造煤在煤与瓦斯突出中的作用。