洁净煤技术的源头创新--煤分子工程及其关键问题的进展

煤分子工程是在分子水平上,以煤组成结构及其反应性关系为基础,对煤的高效和高选择性转化技术和工艺的途径与方法进行研究的一门工程学科,通过"分子-产品-过程"三位一体的多尺度集成的方法来解决煤洁净利用过程的效率、环境及效益等问题.其关键问题主要有(1)分子水平上煤组成结构与反应性关系;(2)煤与其洁净转化技术适应性评价的理论与方法;(3)煤转化过程反应的控制与分级定向转化;(4)基于煤组成结构特征的新转化技术与工艺的开发.在对国内外文献调研的基础上,结合该研究组近年来的工作,对这些关键问题的研究进展进行了简要的评述.同时指出在洁净煤技术发展战略中,必须重视煤组成结构与反应性关系这一煤分子工程基础等问题的研究,实现我国洁净煤技术的可持续发展.     

锂-,钠-,钾水化蒙脱石层间结构的分子动力学模拟

运用分子动力学(molecular dynamics, MD)方法分别研究了含有32, 64和96个水分子的Li-, Na-, K-蒙脱石层间阳离子与水分子的位置和结构. 计算结果表明蒙脱石层间阳离子位置与四面体和八面体电荷位置及离子的大小有关. 一层水合物中可以观察到三种阳离子都能和四面体电荷与八面体电荷位置分别形成内、外配位作用. 二层水合物中, 仍然可以观察到Li^＋和Na^＋与电荷位置的配位作用, 但是已经开始向层中其他方向扩散, 而K^＋仍然在粘土的表面附近. 三层水合物中, Li^＋, Na^＋开始从电荷位置和表面分离, K^＋也开始向层间其他方向扩散. 水分子在所有三种水合物中都分散于层间各个方向. 径向分布函数的分析结果表明层间三种阳离子组织水分子的能力不同, 水化作用随着阳离子半径的增大而减弱; 此外层中水分子的聚合程度随着水分子的增加而加强, 水分子的结构也不同于模拟的液体水分子的结构; 说明蒙脱石层间阳离子的溶剂化作用对水分子的组织起着重要的作用.     

神东2-2煤镜质组大分子结构模型13C-NMR谱的构建与修正

利用浮沉离心法得到了神东原煤的镜质组（SDV）,并对其进行了固体¹3C-CP/MAS NMR测试和元素分析。由¹3C-NMR实验得到了SDV中碳原子的结构分布特征和12种结构参数。结果表明,在SDV的结构中芳香碳原子的存在形式主要是缩合程度为2的萘,其余则是以苯环和含杂原子的芳香环。利用结构参数和元素分析的结果构建了SDV的大分子结构模型, 并运用¹3C-NMR预测软件ACD/CNMR predictor计算了SDV大分子结构模型的¹3C 化学位移。根据计算结果对SDV的大分子结构模型进行了修正,获得了能和实验谱图吻合较好的大分子结构模型。     

霍林河褐煤热解甲烷生成反应类型及动力学的热重-质谱实验与量子化学计算

应用开放体系的热重-质谱联用技术(TG/MS)对未成熟的霍林河褐煤(镜质组最大反射率ROmax为0.33%)进行了热解模拟, 获得了甲烷的在线析出速率曲线. 曲线拟合结果表明, 甲烷生成速率曲线可以分解为5个峰, 结合化学动力学分析, 发现低温阶段甲烷的峰为吸附甲烷析出峰, 其余四个峰为热解甲烷的生成峰, 代表四类不同的化学反应. 将煤的结构特征及量子化学的理论计算相结合, 认为甲烷的生成包括4类反应, 类型1为与氧等杂原子相连的脂碳断裂; 类型2包含了两种反应, 一种是短链脂肪烃类官能团β位断裂, 另一种是所形成的长链脂肪烃类物质二次裂解; 类型3是与芳核直接相连的甲基热解脱落; 类型4为存在于煤结构中脂肪类物质的芳香化.     

神东煤镜质组和惰质组热解甲烷生成反应类型分析

采用等密度梯度离心分离方法,对神府东胜矿区马家塔露天煤矿2号煤层煤进行了镜质组和惰质组煤岩显微组分的分离富集。利用TG/MS对两种显微组分热解脱挥发分行为进行了升温速率为20℃/min条件下的测试,获得了热解甲烷生成的速率曲线,并对其热解生成特征进行了分析。采用分峰拟合的方法,将其分为6个峰,计算得到了各基元反应的动力学参数及其热解特征参数,认为神东煤镜质组和惰质组热解甲烷的生成由煤大分子裂解、缩聚过程中的6种反应所致。通过动力学分析,结合煤大分子的热解规律、热解过程中其它挥发分的逸出特征及相关模型化合物的量子化学计算结果,对热解甲烷生成的6种反应类型进行了具体分析。     

不同煤级煤的Raman谱特征及与XRD结构参数的关系

11种Cdaf在57.58%～94.01%的不同变质程度煤的拉曼光谱实验表明不同变质程度煤的拉曼光谱一级模都存在两个明显的振动峰,分别为较为宽缓的D峰(1 340～1 380 cm-1)和相对较为尖锐的G峰(1 580～1 600 cm-1)。将800～1 800 cm-1范围的谱图拟合为两个洛仑兹峰,每个峰的峰位置,峰强度以及半峰宽等拉曼参数与碳含量的相关关系分析结果显示：D峰位置和G峰位置随碳含量的增加分别向低波数和高波数区域移动;两峰的峰位差随碳含量的增加而增加;两峰的半峰宽FWHM-D,FWHM-G及两峰强度比I_D/I_G在碳含量75％～94％范围内与碳含量线性相关。发现XRD分析获得的d002和L_c与拉曼谱中的G峰位置及半峰宽存在着良好的相关性。与X射线衍射得到的晶粒尺寸L_a值相关性分析表明用Cancado公式和KW公式对L_a进行估算均是不合理的。     

镜煤与丝炭粉碎特性的比较研究

镜煤与丝炭是煤中两种主要的、煤显微组分组成较为单一的宏观煤岩组分，它们的结构性质有极大的差别，在煤的加工利用中，它们的反应性以及其它物理化学行为也是完全不同的。因此，煤岩组分的工业化分离一直是煤科学家及煤化工专家追求的目标［１，２］，煤显微组分的分离...     

煤显微组分热解过程中脂肪氢的演化特征及其动力学

采用热台与FTIR考察了平朔煤和神东煤显微组分热解过程中脂肪氢的演化特征.结果表明,随着热解温度的升高,脂肪氢经历了快速减少、缓慢减少和基本不变三个阶段,揭示出煤大分子体系依次发生了脂肪碳氢链的裂解、环烷化反应、芳构化反应、芳香结构氢化反应以及芳香缩合反应等;动力学分析表明,脂肪氢脱除反应的活化能较低,与反应体系中存在大量自由基有关;甲基与亚甲基的相对脱除速率随温度呈现M型关系.     

太原西山煤田太原组砂岩的物源分析

太原西山七里沟剖面为我国华北石炭-二叠系标准层型地层剖面。采用岩石学和重矿物学方法对太原西山七里沟剖面太原组砂岩进行了研究,结果表明:太原组砂岩的母岩类型主要为富含燧石结核或条带的沉积岩,部分为岩浆岩和变质岩。Dickinson碎屑组分三角图解显示太原组砂岩的物源区为再旋回造山带。结合古水流特征,认为太原组砂岩的物源主要来自华北北缘的内蒙古隆起。物源区的风化剥蚀从寒武-奥陶系的富含燧石结核或条带的碳酸盐岩开始,向下逐渐剥蚀到新元古界震旦系的石英岩。