不同煤级煤分级萃取后的XRD结构特征及其演化机理

基于溶剂萃取的方法,采用苯、CS2、丙酮以及THF等4种溶剂对褐煤、焦煤、低级无烟煤、中级无烟煤等进行分级超声萃取,并借助于X-射线衍射法,对原煤及其萃取物的微晶结构参数进行了测试。研究发现:①随着煤级的变化,溶剂的分级萃取率呈现相同的变化趋势,焦煤的萃取率最大,其次是褐煤,无烟煤萃取率最小;②4个煤样中,THF溶剂的可溶组分最多,其他3个溶剂的萃取率对比关系因煤级不同而略有差异,原因在于萃取率受到煤的显微组分和小分子化合物组成影响;③与原煤相比,萃余物的芳香层间距d002减小,而堆砌度Lc、延展度La均略增大,计算得到的芳香层片堆砌层数增多;④溶剂萃取条件下,煤的不同微晶结构参数的变化机理不同,表现为La主要与溶胀度有关,Lc受溶胀度和小分子相的溶出量有关,d002则是溶胀作用,小分子相溶出量以及溶剂分子的填充情况共同作用的结果;萃取后,芳香层片堆砌层数N的增加是由于Lc和d002变化后的计算效应引起的,而非事实上的增多。     

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。     

溶剂萃取后构造煤的微晶及化学结构参数变化特征

以山东腾南煤田金源矿为研究区,采集不同煤体破坏程度的煤样,通过溶剂分级萃取实验,利用X射线衍射(XRD)和核磁共振(NMR)测试技术,对比分析了萃取前后煤样的微晶结构参数,探讨了化学结构特征参数的变化规律。研究表明:(1)在不同溶剂的分级萃取下,不同煤体结构煤的累计萃取率从小到大依次为原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤,其中THF溶剂对各类煤样的萃取率最大;(2)溶剂萃取后,各类煤样的碳原子网面间距(d_(002))、堆砌度(L_c)和延展度(L_a)均大于原煤。随着萃取级数的增加,各煤样的碳原子网面间距(d_(002))呈现较复杂的变化趋势,BSU的堆砌度(L_c)除了糜棱煤随着萃取的深入有略微减小外,总体上随着萃取级数的增加呈现增大的趋势;(3)随着构造变形的增强,构造煤的芳碳率呈增大的趋势,而脂碳率的数值变化有明显减小的趋势。溶剂的萃取作用中,脂族类的小分子化合物更容易溶出,芳香环上的小分子化合物萃取率较低。     

热变煤的变质演化纳米特性及其类石墨结构特征

热变煤所处地质条件明显异于正常变质作用煤，由于受到直接接触的岩浆侵入体影响，热变煤一方面经受了快速升温缓慢冷却的受热过程，另一方面也受到侵入体接触挤压带来的额外应力作用，这使得热变煤的碳纳米结构变化明显异于正常变质作用煤。为揭示热变煤中碳纳米结构的特殊性，基于X射线衍射(XRD)与高分辨率透射电镜(HRTEM)分析手段，研究热变煤的微晶结构参数演化，同时对热变煤中碳纳米结构类型及其成因进行系统分析。结果表明：与深成变质作用煤相比，热变煤的微晶层间距更接近石墨微晶。在镜质体反射率小于10%时，热变煤的层间距和L_a/L_c均呈现三阶段变化。在热变煤中，识别出4种碳纳米结构，即无序芳香簇结构、芳香同心环状结构、涡层结构和类石墨状结构。其中，类石墨状结构主要出现在颗粒边缘、显微组分相互挤压面上以及孔隙裂隙边缘处，其成因与颗粒内部应力有关。相比于其他3种碳纳米结构，类石墨状结构的定向性更好，同时其芳香层片的长度也更长。与正常变质煤受热形成的类石墨结构不同，热变煤颗粒边缘类石墨结构的层间距更小而延展度更大。基于此，通过改进的Hummers法可从热变煤中制备...     

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。     

半焦制铸造型焦的碳微晶结构X-衍射分析

利用X-射线衍射仪对铸造型焦的碳微晶结构进行分析,研究其微晶结构随温度变化的规律.谱图上出现了002晶面和100晶面衍射峰,并且衍射峰在形状上的变化表现出一定的规律性.研究发现,随着炭化温度的升高,2θ衍射角逐渐增加,002晶面和100晶面半峰宽逐渐减小,芳香片层间距d₀₀₂相应减小,而芳核有效堆砌高度L_c和层面直径L_a则逐渐增加,型焦的结构趋于芳构化和有序化.     

CaO对褐煤和无烟煤热解产物分布及煤焦结构的影响

为研究CaO对不同变质程度煤在催化热解过程中的作用规律,以锡林郭勒褐煤和宁夏石嘴山无烟煤为研究对象,利用实验室小型固定床反应器,研究了CaO对褐煤和无烟煤热解特性及煤焦结构的影响,运用X射线衍射(XRD)及傅里叶红外光谱(FT-IR)对比研究了不同温度下褐煤、无烟煤添加CaO前后热解半焦微晶结构以及脂肪结构、芳构化、富氧程度等红外结构参数的变化规律。试验结果表明:在900℃时,添加质量分数2%Ca O的褐煤煤样H2累积产率最大,达39.11 m L/g;添加CaO后煤样在高温热解阶段生成CO的累积产率大于未添加CaO煤样的量。与加入CaO相比,温度对芳香层片间距和芳香层片直径影响更大;热解温度为900℃时,随着CaO的加入,褐煤半焦芳香层片堆积高度和晶层数逐渐增大;而对于无烟煤半焦来说,则与之相反;加入CaO的褐煤和无烟煤热解半焦的微晶结构偏离石墨化程度大于未加入Ca O的热解半焦。褐煤半焦的脂肪结构、芳构化、富氧程度等红外结构参数普遍高于无烟煤半焦。高温时,缩合反应程度增大,CaO促进半焦的转化率提高,导致芳构化参数变大;原煤中C O基团很少,高温下通过CaO促进芳环裂解和CO2反应生成C=O基团,进而导致半焦中富氧程度呈升高趋势。     

煤分子结构模型构建及优化研究

从分子层面认识煤的分子结构特征对实现煤炭合理利用及高效转化具有重要意义。以淮北矿业集团青东煤矿煤为研究对象,通过工业分析、元素分析、核磁共振碳谱(13C-NMR)及X射线光电子能谱(XPS)等测试方法,对其分子结构进行研究。结果表明,青东煤的芳香化合物以2、3环结构为主;脂肪结构以甲、乙基侧链及环烷烃形式为主;分子结构中芳香桥碳与周碳比为0.35。氧原子以羰基和酚羟基形式存在,氮原子分别以吡啶和吡咯形式存在,硫原子含量较低,在该模型中不再考虑。依此构建青东煤大分子平均结构模型,其分子式为C₁₄₂ H₁₂₈ N₂ O₃,分子量为1910.60。煤的大分子结构中芳香结构单元包括2个苯环、2个萘、4个蒽;杂原子以2个羰基和1个酚羟基、1个吡啶和1个吡咯的形式存在。对单个大分子结构模型进行结构优化和退火动力学模拟研究,桥键、脂肪键等化学键发生了明显的扭转,分子内芳香片层之间的π—π相互作用使相邻芳香片层之间趋于近似平行排列;总势能由2121.14 kJ/mol下降到1255.85 kJ/mol,其中键伸缩能及范德华能占主导地位。将18个青东煤大分子模型构建成聚集态结构模型。经过分子力学和分子动力学模拟优化后,大分子受周围分子的制约,原本近似平行排列的片状芳香碳结构发生扭曲形变,结构杂乱。研究构建的青东煤大分子结构模型可为选择浮选药剂提供模型基础。     

煤有机大分子碳结构石墨化机制

煤化作用和石墨化作用共同控制煤的形成和演化,因煤物质成分、化学结构的复杂性和石墨化作用的特殊性,使得研究煤大分子结构热演化过程非常困难。为了探索煤化过程和石墨化过程中的大分子结构变化特征,通过煤质分析、固体核磁共振、高分辨率透射电镜(HRTEM)、黄金管热模拟等实验技术和Amsterdam Modeling Suite (AMS)量子化学计算技术,对不同煤阶煤和煤系石墨样品进行测试分析,从大分子量子化学角度构建不同煤阶煤的有机大分子结构,以揭示煤的有机质大分子碳结构演化及石墨化机制。(1)随着成熟度升高,煤大分子结构中芳香结构的占比逐渐增大,脂肪结构含量逐渐减小,芳碳率在无烟煤阶段达到0.9以上;(2)低煤级煤和中煤级煤大分子中2×2、3×3尺寸的芳香条纹含量占比最大,随着成熟度的升高优势方向(75°、90°和105°)条纹占比由26.47%增至50.10%,在无烟煤和高级无烟煤阶段出现芳香条纹堆叠现象;(3)利用构建的三维大分子结构模型开展热解模拟计算,发现随着模拟温度升高,芳香层片间距有规律的减小,从0.400 nm降至0.318 nm,这与低煤阶煤到高煤阶煤芳香层片层间距从0.4...     

浸水干燥烟煤微观结构与自燃特性关联性研究

为了探究浸水煤微观结构对煤自燃能力的影响,将不黏煤浸水处理,浸水时间分别为5 d、15 d、25 d和35 d,采用全自动比表面积分析仪、X射线衍射仪和同步热分析仪研究浸水煤孔隙分布、芳香微晶结构及热失重特性,并采用灰色关联方法掌握浸水煤中芳香微晶结构参数与表观活化能之间的相关性。结果表明,当浸水时间超过15 d后,浸水煤比表面积分别增大了0.78%、8.97%和23.61%。随着浸水时间的增加,浸水煤的芳香层片层间距增大,有效芳香层片数目减小,且浸水煤的芳香层片延展度和堆砌高度均小于原煤。同时,浸水煤的干裂温度和最大失重速率温度逐渐减小,且BNM-35的表观活化能最低,这主要是受煤中有效芳香层片数及芳香层片堆砌高度的影响。研究成果为采空区内遗煤自燃防控提供理论基础。     

两种褐煤的13C-NMR特征及CPD高温快速热解模拟研究

采用 13C-NMR固体核磁表征元宝山褐煤及白音华褐煤的碳骨架结构参数,分析两种褐煤团簇化学结构参数,元宝山褐煤团簇中平均碳原子数为16.21,其中芳碳原子数为9.24,脂碳原子数为6.97,芳环数为1.81;白音华褐煤团簇中平均碳原子数为17.14,其中芳碳原子数为9.43,脂碳原子数为7.71,芳环数为1.86。两种褐煤均以桥键及环状链接为主,元宝山褐煤团簇中桥键及环状链接多于白音华褐煤,而白音华褐煤则侧支链稍多。结合两种褐煤团簇化学结构参数,采用基于煤结构的CPD热解模型,模拟这两种褐煤的高温快速热解过程,模拟结果合理可靠。     

褐煤分子结构模型构建与优化

针对煤分子建模方法较多且不统一的现状,本文从微观角度出发,选取对分子结构影响较小的物理方法,探究了褐煤大分子结构并对其进行优化,提出了一种较为简便的煤大分子建模方法。基于元素分析、核磁共振碳谱测试及X射线光电子能谱测试的实验方式,利用分子动力学模拟软件对褐煤进行了分析研究并搭建分子结构模型。研究表明,褐煤大分子中芳香结构多为并五苯,脂肪碳结构多为亚甲基及次甲基结构,烷烃链多为环烷烃结构;氧原子以醚键氧形式为主,其次为羧基氧和羰基氧;氮原子以吡啶氮结构形式存在。优化后煤分子模型结构更加紧凑,能量明显变小,范德华势能作为非键势能的主要组成部分及保持煤分子结构稳定的主要因素,变化最明显。为了构建煤分子晶胞,加入周期性边界条件,根据能量变化得到晶胞密度为1.2 g/cm3,总能量为1 140.624 kJ/mol,与实际情况基本相符,验证了该建模方法的实效性。该研究为直观认识煤大分子结构提供了方法,并对煤与瓦斯突出、煤自燃等灾害事故的机理研究及防治具有重要意义。     

压块工艺条件下煤种对活性炭孔结构发育的影响

以胜利褐煤、3种低阶烟煤（灵武煤、神木煤、大同煤）和太西无烟煤为原料,采用压块工艺制备煤质颗粒活性炭,借助煤中无机矿物质组分与含量、炭化料微晶结构参数等指标考察煤种对活性炭孔结构发育的影响。结果表明：① 随着煤化程度（Cdaf）的提高,炭化料的微晶层厚度（Lc）和石墨化度(G)升高,活性炭的比表面积（SBET）增大,平均孔径（da）减小;② 煤中的矿物质含量和组成对活性炭的孔结构发育亦有重要影响,灰分过高意味着可以造孔的有机炭含量降低,但无机质中Ca,Fe等物质会催化活化反应,促进活性炭孔的发育。压块工艺条件下,煤种（煤化程度）仍然主要通过影响炭化料内微晶尺度和矿物质组成来影响最终所得活性炭的孔结构。     

晋城无烟煤的分子结构特征分析

利用工业分析、元素分析、核磁共振碳谱(13C-NMR)、高分辨率的透射电镜(HRTEM)、红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)对晋城无烟煤进行了分析,对其化学结构获得了较为全面的认识。采用变接触时间和偶极去相方法相结合的13C-NMR技术以及HRTEM检测对其微晶条纹芳核结构进行了统计分类。结果表明:此类煤结构中桥碳比为0.46,平均结构单元分子质量为398,煤中的芳核结构缩合程度较高,芳香层片以苯并蒽,苯并芘以及尺寸更大的芳香环为主。对FTIR与XPS检测结果进行分峰拟合结果表明:芳香环取代度较高。煤中氮含量较少,以有机氮和无机氮的形式存在。煤样中硫主要以有机硫的形式存在,无机硫含量较少。煤中氧含量很少,且主要分布于脂肪烃结构中。煤样脂肪结构中侧链短,且分支度小。利用上述信息,初步构建了晋城无烟煤平均结构单元分子模型,其平均结构单元分子式为C30H22O0.5N0.5,为煤的大尺度分子聚集体结构模型构建提供基础。     

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。