峨山褐煤的分子结构和分子模拟

作为重要的化石能源，褐煤资源潜力巨大、分布广泛但综合利用率低。研究褐煤的分子结构模型，有助于预测褐煤在热解、液化和气化过程中的化学反应机理及反应路径，进而提高褐煤的综合应用水平。以云南峨山褐煤为研究对象，利用傅里叶变换红外光谱、13C核磁共振波谱及X射线光电子能谱等分析测试方法，获取了峨山褐煤的含碳、含氧及含氮结构参数。在此基础上，借助Gaussian 09计算平台，采用量子化学建模的方法构建并优化了峨山褐煤的分子结构模型。研究结果表明：峨山褐煤的芳碳率为39.20%，芳香碳结构主要为苯和萘，且芳香桥头碳与周边碳的比值χ_b为0.07；脂碳率为49.51%，脂肪碳结构主要为亚甲基，季碳和氧接脂碳；氧原子主要存在于羟基、醚氧、羰基和羧基结构中；含氮结构则以吡啶为主。基于元素分析、13C 核磁共振波谱分析，又经过热重实验消除褐煤中残余水分的影响后，计算出峨山褐煤的分子式为C₁₅₃H₁₃₇O₃₅N₂。依据分子式及分析结果计算出峨山褐煤的结构单元含量并构建出其初始结构模型，采用半经验法PM 3基组及密度泛函理论M06-2X/3-21G基组对初始分子构型进行优化。优化后的分子模型具有明显的三维立体特征，芳香环之间较为分散且在空间中排列不规则，芳香簇主要通过亚甲基、醚氧基、羰基、酯基和脂肪环连接，含氧官能团主要分布在分子边缘，脂肪族侧链较多。对优化后的分子模型进行振动频率计算进而获得了分子模型的模拟红外光谱，其与实验红外谱图吻合度良好，证明了峨山褐煤分子结构模型的准确性、合理性。分子结构模型的构建有利于直观地了解峨山褐煤的分子结构特征，从而有助于从微观分子角度研究峨山褐煤的宏观性质。同时，峨山褐煤分子结构模型可为其在热解、液化和气化等领域研究中提供理论指导。     

松木屑与褐煤共气化的TG-FTIR实验研究

利用TG-FTIR对松木屑、褐煤及其混合物的共气化过程及气化产物进行了分析，研究了掺混比例、升温速率以及反应气氛对共气化过程的影响。结果表明，松木屑加入后提高了试样的反应活性，随松木屑比例增加，气化失重速率逐渐降低，CO的开始析出温度及析出峰面积A_CO呈降低趋势；较低的升温速率有利于CO和CH₄的析出，随着升温速率的增加，DTG曲线向高温侧移动，最大失重速率显著增加，褐煤热解对应的峰逐渐消失；CO₂气氛对挥发分析出阶段的失重行为影响不明显；空气气氛时挥发分析出阶段的两个失重峰分别对应挥发分的燃烧和固定碳燃烧，该气氛下没有明显的焦炭气化阶段。     

褐煤半焦直接加氢制甲烷反应特性及其孔结构和表面形态变化

在高温高压(1 000 ℃、12 MPa)固定床反应器上对内蒙古褐煤半焦的加氢甲烷化反应特性进行了研究,采用氮吸附和扫描电镜(SEM)对甲烷化残渣比表面积、孔结构和表面形态进行了表征。结果表明,半焦加氢甲烷化可分为加氢热解、快速加氢和慢速加氢等三个反应阶段,每阶段分别发生含氧官能团和烷基侧链加氢反应、芳环结构加氢反应以及贫氢骨架碳结构加氢反应。半焦加氢甲烷化最优反应温度为800 ℃,反应压力为3.0~4.0 MPa;提高升温速率可以缩短前段(碳转化率低于46%)反应过程时间,对后段(碳转化率高于46%)反应过程影响较小。半焦甲烷化残渣的吸附-脱附等温线呈反S型,滞后环呈H3回线形状;在甲烷化反应过程中,半焦平均孔径先减小后增大,总孔容积和介孔容积逐渐增大,微孔容积和比表面积先增大后减小。     

共热解过程对褐煤焦和生物质焦氧化特性的影响

以锡盟褐煤和玉米秸秆为原料,利用固定床程序升温热解的方法制备了褐煤焦、生物质焦以及褐煤和生物质不同混合比例的共热解焦样,并进行了孔结构和化学结构的表征以及其灰成分分析。采用等温热重法在450 ℃下考察褐煤焦和生物质焦的混合样与其相同比例的共热解焦样的氧化活性,对比分析共热解过程对焦样反应活性的影响。实验结果表明,共热解过程中的二次反应对焦样结构有着明显的影响,进一步导致其反应活性下降。尤其是生物质添加量低于50%时,由于共热解过程生物质中大量挥发分的释放增强了其与半焦的二次反应,促使新生焦中部分小于五环的有机结构向更大的结构转化。但生物质添加量大于50%时,生物质焦的反应活性起主导作用,焦样中碱金属和碱土金属催化作用较明显,特别是钾的影响,使得共热解过程中挥发分与半焦的二次反应对其结构及反应性的影响减弱。     

水蒸气对褐煤原位气化半焦反应性能及微观结构的影响

为了揭示水蒸气对半焦反应性和微观结构的影响,在自制两段新型反应器上依次进行了褐煤干燥、热解及"热"焦的水蒸气原位气化研究。利用TGA、BET和Raman光谱仪,对原位气化半焦进行反应性和微观结构解析。结果表明,在反应温度为600 ℃时,水蒸气对半焦转化率、反应性及微观结构影响很小。温度达到700~900 ℃,在半焦与水蒸气接触的前2 min,虽然半焦转化率变化不大,但其反应性、小环(3~5个芳环)与大环(≥6个环)体系之比及含氧官能团却急剧降低;大于2 min,半焦转化率逐渐增大,反应性、小环与大环之比及含氧官能团缓慢降低;而半焦孔结构在2 min 前后却具有基本一致的变化趋势。半焦与水蒸气接触的前2 min,小环与大环之比和含氧官能团急剧降低是导致反应性显著降低的重要因素,大于2 min,芳环体系的变化是导致反应性进一步降低的原因。     

固体热载体热解霍林河褐煤实验研究

在处理量为10kg/h的粉煤-固体热载体移动床实验装置上,以循环灰为热载体对其进行了热解特性评价实验.考察了热解温度(460℃~610℃)、反应时间(6min~8min)及煤粒粒径对热解产物产率和组成的影响.结果表明,随着热解温度的升高,气体产率增大;焦油产率在520℃时达到最大值4.94%.热解煤气的热值为19.80...     

褐煤中有机氮的赋存形态分布和分子结构特征

利用X射线光电子能谱(XPS)分析了先锋褐煤(XL)、小龙潭褐煤(XLT)和胜利褐煤(SL)及其萃取残渣表面有机氮的形态分布。结果表明,三种萃取残渣表面五种有机氮的含量分布各异,但均以吡咯型氮为主。考察了在300℃下Na OH催化的褐煤萃取残渣的超临界甲醇解反应,XL、XLT和SL萃取残渣超临界甲醇解所得石油醚可溶物的收率分别为46.0%、43.8%和47.6%(质量分数)。用傅里叶变换离子回旋共振质谱(FTICR/M S)分析石油醚可溶物中的含氮化合物(NCCs)。结果表明,NCCs主要包括N_1、N_1O_1-N_1O_5、N_2、N_2O_1-N_2O_4、N_3O_2和N_5O_2-N_5O_4类化合物。根据不饱和度和碳原子数的分布推测了NCCs的分子结构特征,表明绝大部分NCCs含羟基和羧基等含氧官能团,氮原子主要以吡咯、吡啶和氨基的形式存在于芳环结构中,以1-3个芳环的结构为主。褐煤中的-C-O-桥键的断裂是生成NCCs的一个重要路径。     

水热法改性褐煤及含氧官能团与水相互作用的研究

利用水热法对蒙东褐煤进行了改性。通过微量热仪测定和分析了煤炭表面骨架大分子和各种官能团与水结合能的大小。结果表明,水热法改性后,褐煤中的羧基和羰基随温度升高显著降低,而羟基的变化比较复杂。计算得到了低阶煤中含氧官能团和煤炭表面骨架大分子亲水能力由大到小的顺序是羧基酚羟基羰基煤炭表面骨架大分子。     

酸洗脱矿对胜利褐煤热解过程中N迁移转化的影响

在石英管流化床反应器中对胜利褐煤进行快速热解实验,考察了773~1 173 K下酸洗脱矿对胜利褐煤热解过程中N迁移转化规律的影响。通过比较原煤和酸洗后煤中N的不同逸出规律可以得出,影响酸洗前后胜利褐煤热解过程中N迁移转化规律的主要是碱金属Na及碱土金属Ca;热解过程中,煤中的Na和Ca促使煤中的N向NH3转化并有效抑制了HCN的生成,金属离子的存在对催化焦油N转化为NH3的作用较为明显;原煤中的碱金属和碱土金属的赋存使半焦裂解反应加剧,降低了固体半焦的产率,半焦N的产率也随之减少;与原煤相比,酸洗煤热解半焦中的吡啶型N(N-6)含量较多,而吡咯型N(N-5)和季N(N-Q)相对较少。     

K~+、Na~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)对胜利褐煤平衡复吸水的影响

以胜利褐煤为研究对象,利用FT-IR等手段,用灰分、不同湿度下的平衡复吸水含量等,系统研究了不同相对湿度下K+、Na+、Ca2+、Mg2+的水合作用对胜利褐煤平衡复吸水含量的影响。结果表明,相同浓度不同类型的金属离子与煤样的交换能力的趋势为Ca2+Na+K+Mg2+。金属离子对胜利褐煤平衡复吸水含量影响力的顺序为Mg2+Ca2+Na+≈K+。相对湿度高时,平衡复吸水含量的主要控制因素为游离水分子之间的分子作用力;相对湿度中等时,平衡复吸水含量的主要控制因素为金属水簇与毛细管之间的毛细管作用力;相对湿度低时,平衡复吸水含量的主要控制因素为金属离子的水合作用。