红外发射光谱法原位研究褐煤的低温氧化过程

用傅氏红外发射光谱法原位考察了低温氧化过程，用峰拟合程序处理光谱数据，在定量的基础他煤中各主要官能团的变化规律。数据表明，氧化时，煤的芳核部分是稳定的，氧原子主要进攻脂肪族基团，通过生成过氧化物进入煤结构中，整个过程表现为含氧基团的增多和脂肪族基的减少。作为煤低通氧化的一个特征是芳烃Ｃ－Ｈ含量的逐渐递增，这主要是由于它含有较多羧基，其中芳酸的羧基发生脱羧的结果。     

胜利褐煤及盐酸洗煤热解过程中微结构演变特性研究

利用固定床获得胜利褐煤及盐酸洗煤在不同温度条件下的半焦。利用FT-IR、XPS、XRD和Raman等技术对所得半焦进行表征,以研究胜利褐煤及盐酸洗煤热解过程中微结构演变特性。结果表明,盐酸洗煤/焦中含氧结构含量相对较高。随热解温度升高,煤/焦中含氧结构所占比例降低。褐煤热解过程中,盐酸洗脱的矿物质会抑制芳环的有序化排列,同时促进褐煤中芳环簇的缩聚,造成煤焦晶体结构缺陷增加,并对煤焦中侧链的发展不利。     

燃烧反应过程中胜利脱灰褐煤微结构演变特性研究

对胜利脱灰褐煤的燃烧反应性进行了测试,并利用FT-IR、XPS、XRD和Raman等对不同条件下的未反应残留物进行了表征,以分析胜利脱灰褐煤在燃烧过程中微结构演变特性。结果表明,在燃烧反应过程中,煤样的脂肪族官能团不断消耗,碳氧官能团和芳烃骨架的消耗与生成交替进行,褐煤表面C-C/C-H键合结构所占比例先增加后减少,碳-氧键合结构所占比例先减小后增加,未反应残留物的芳香度不断升高,褐煤的石墨缺陷指数先增加后降低,而脂肪族侧链指数则呈现先减少后增加的变化规律,表明随着燃烧反应进行对褐煤未反应残留物的石墨化程度逐渐提高,特别是在燃烧反应后期,石墨化程度显著提高。     

无机酸洗脱对胜利褐煤微晶结构及其自燃倾向性的影响

利用XRD、Raman、XPS和FT-IR表征技术,研究无机酸洗脱(HCl、H2SO4、HCl-HF)处理的胜利褐煤微晶结构的变化,采用自行设计的表面吸附仪-GC联用装置,对样品进行不同温度的低温脉冲氧化实验,考察了煤样在不同温度下氧吸附量的变化规律,通过低温脉冲氧吸附规律与TG/DTG和固定床燃烧实验关联,考察了煤样的自燃倾向。结果表明,无机酸洗脱对矿物质的脱除使得煤结构的有序度增加,石墨化程度提高,无机酸洗脱煤样与原煤相比吸氧量明显下降。随着吸附温度的升高,各煤样吸氧量明显增加,且随着脱除矿物质程度的增加,吸氧量呈减小的趋势,导致自燃倾向降低。     

胜利褐煤焦钙催化水蒸气气化反应中活性微结构分析

针对胜利褐煤焦水蒸气气化反应过程中钙组分的催化作用,在脱除矿物质胜利褐煤煤样SL~+中添加CaO在1 100℃热解得到添钙煤焦样品Ca-J,Ca-J经盐酸处理脱除其游离钙组分,得到添钙焦酸洗煤样Ca-J~+,采用BET、SEM-EDS、XRD、FT-IR及XPS等技术对所制备煤样进行表征,并在微型固定床反应装置上进行水蒸气气化反应性测试,对煤样微结构特性进行研究,提出了钙催化水蒸气气化反应中的活性微结构模型。结果表明,水蒸气气化反应中,添钙焦样酸洗前后的Ca-J和CaJ~+碳转化率及反应活性指数基本相同,但比酸洗煤焦样SL~+-J高出许多。样品XPS的Ca2p谱图分峰说明,Ca-J~+中存在Ca(CH_3COO)_2与Ca-OOR两种化学形态的钙。化学分析及SEM-EDS表征均表明,Ca-J~+中钙含量比Ca-J减少了97%以上;XRD表明,Ca-J中游离存在的CaS、CaO经酸洗被脱除;FT-IR表明,Ca-J及Ca-J~+中含有C=O、C-O等特征吸收峰。综合上述结果,可推测"R-O-Ca-O-R'"(R及R'可为脂肪族或芳香族结构体)是钙组分催化胜利褐煤焦水蒸气气化的活性微结构。     

胜利褐煤燃烧中未反应残留物结构特性及铁的添加效应

利用TGA确定胜利褐煤盐酸脱灰煤和添加铁组分脱灰煤的着火温度,在着火温度进行燃烧反应,收集燃烧反应一定时间后的未反应残留物,利用FT-IR、XPS、XRD和Raman等对其进行表征,研究了胜利褐煤燃烧过程中铁的影响规律。结果表明,铁的加入降低脱灰胜利褐煤的着火温度,当添加量为3.50%时,着火温度降低的幅度最大。在着火温度燃烧反应一定时间后未反应残留物的FT-IR表明,其有机官能团结构无显著变化,说明铁的添加并不影响其有机官能团结构特性,有机官能团不会对燃烧性能产生太大的影响。添加铁使SL+在燃烧过程中未反应残留物结构芳香度下降,晶面间距增大,晶体结构中缺陷位相对增加,石墨化程度降低,烷基侧链增多,碳氧结构迅速减少,说明铁组分的加入改变了其燃烧过程中碳氧结构转化特性,抑制了石墨化转化速率与程度,即在燃烧反应过程中改变了其未反应残留物的微结构,从而改变了其反应历程,加速燃烧反应速率。     

载Na胜利褐煤热解过程中氮的迁移转化

采用具有流化床/固定床特征的石英反应器进行不同Na负载量的胜利褐煤热解实验,考察不同Na负载量对煤热解过程中氮迁移的影响。用紫外可见分光光度计分析气相的NH_3和HCN,用X光电子能谱仪(XPS)表征固体半焦中有机氮的存在形式。结果表明,低温热解时,增加Na的含量对煤中氮转化为NH_3起促进作用;高温热解时,Na抑制煤中氮转化为NH_3。Na对煤中氮转化为HCN表现为抑制作用,这种影响规律不随温度而变化。载Na量增加降低半焦氮含量,促进半焦中季氮的生成,但这种影响在低温时不明显。     

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。     

氧化钙对胜利褐煤焦水蒸气气化反应性能及微结构的影响

研究了CaO对胜利褐煤焦水蒸气气化反应性能及微结构的影响。脱除矿物质的胜利褐煤混合不同含量的CaO后在1 100 ℃下进行热解得到相应的煤焦,采用BET、XRD和Raman技术对其进行表征,同时在微型固定床反应器上对所制得煤焦进行水蒸气气化实验。比较添加CaO不同含量煤焦的反应性表明,添加2%(质量分数)的CaO对煤焦水蒸气气化的催化作用很小,而CaO添加量增大到5%时,煤焦的气化反应性能明显提高。煤焦比表面积随CaO添加量的提高而增大。XRD结果表明,在热解过程中,CaO能有效地抑制煤焦向石墨化方向发展趋势。煤焦002和100峰的峰强度随CaO添加量的增加而降低,且煤焦芳香度从66.8%降至39.9%。Raman光谱结果表明,随着CaO添加量的增加,I_D/I_G由1.363增加至1.541,I_G/I_all由0.423减少到0.394。意味着由于Ca的催化作用,煤中大芳香环结构的裂解速率明显增加,且随CaO添加量的增多,煤焦的无序化程度和晶格缺陷均增大。     

升温速率对胜利褐煤热解过程中N迁移转化的影响

在固定床/流化床管式石英反应器中进行了胜利褐煤的快速热解和慢速热解实验,考察了升温速率对N迁移转化及对半焦内部N化学形态变化的影响。研究结果表明,快速升温热解气相N(NH₃和HCN)生成量明显高于慢速热解时的生成量,且随着温度的升高,两者差值均逐渐增大。在多数情况下,NH₃或HCN的产率在973 K左右并不随温度的升高而增加,这与高温下的半焦热缩聚反应以及挥发分的二次反应有关。快速热解条件下,半焦N的释放速率要快于半焦炭本身失重速率。X射线光电子能谱(XPS)分析认为,热解使得吡咯型N(N-5)部分转化为吡啶型N(N-6)和季氮型N(N-Q),快速热解有利于生成N-6,而慢速热解下半焦中N-Q含量较高。     

先锋褐煤在离子液体中温和加氢转化研究

对先锋褐煤在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Bmim]BF₄)中于温和条件下(350 ℃)的加氢液化行为进行了研究.主要考察了催化剂FeS、ZnCl₂、AlCl₃和FeCl₃对先锋褐煤在离子液体[Bmim]BF₄中液化性能的影响规律,并对液化产物进行了红外光谱分析.研究发现,先锋褐煤在离子液[Bmim]BF₄、催化剂和四氢萘(THN)作用下具有较好的液化性能.在350 ℃、[Bmim]BF₄和ZnCl₂作用下,先锋褐煤的液化产物产率为66.2%,主要的液化产物为四氢呋喃可溶物(THFS)、四氢呋喃不溶而N-甲基吡咯烷酮可溶的产物(NS).液化产物的红外光谱分析结果表明,催化剂的种类显著影响液化产物的分布和结构.     

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。     

先锋褐煤在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐作用下热溶解聚及其产物分析

考察了先锋褐煤(XL)在高温稳定性很好的离子液体1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐([Bmim]OTf)中的解聚性能,并对其在不同热溶条件下解聚所得热溶物和残煤进行了分析表征。结果表明,[Bmim]OTf对XL具有较好的解聚性能。在280℃,[Bmim]OTf/XL为3.5下解聚4h,[Bmim]OTf对XL的萃取率(以四氢呋喃可溶物计)为20.1%。四氢萘(THN)、H₂和催化剂ZnCl₂的加入可显著促进XL在[Bmim]OTf中的解聚,相比于XL在[Bmim]OTf作用下的萃取率,THN、H₂和催化剂ZnCl₂的加入使可溶物的收率分别提高到30.0%、36.9%和46.8%。产物分析结果表明,在[Bmim]OTf热溶解聚XL的过程中THN的加入使得XL经离子液体[Bmim]OTf解聚所得热溶物中氢键的数量明显增加;H₂和ZnCl₂的添加分别增加了产物中脂肪烃和芳烃的含量。