山西高硫气肥煤结构表征与分子模型构建

气肥煤是炼焦煤的主要煤种之一,研究高硫气肥煤的结构并构建分子结构单元模型,对气肥煤脱硫提质,优化炼焦配煤,节约优质炼焦煤资源具有重要意义。选择山西高阳矿区高硫气肥煤,利用FTIR,~(13)C CP/MAS-NMR, XPS等测试分析方法表征煤中碳、氧、氮、硫赋存特征,结合煤质分析结果,计算芳香结构、脂肪结构和杂原子结构参数,并构建高阳高硫气肥煤分子结构单元模型。研究结果表明:与芳环上π电子形成的羟基π氢键是高阳高硫气肥煤最主要的羟基结构,占比为73.20%,羟基自缔合氢键、醚氧键与羟基形成的氢键含量较高,占羟基总量的24.38%,游离羟基含量仅占2.42%,煤中缔合结构以多聚体形式为主。含氧官能团主要以共轭羰基和酚羟基的形式存在,芳基醚和羧基含量较少。亚甲基是最主要的脂肪烃结构,占比为41.85%,甲基、次甲基占比分别为29.86和28.29%。芳香烃结构主要有苯环五取代、苯环三取代和苯环四取代三种形式,占比分别为41.42%, 30.65%和19.82%。芳氢率和芳碳率分别为0.34～0.35和0.73～0.77,芳核平均结构尺寸X_b为0.43。煤中噻吩、(亚)砜、硫醇(醚)和无机硫含量分别为35.90%, 27.61%, 18.40%和18.09%。氮主要以吡啶和吡咯结构存在,质子化吡啶和氮氧化物较少。通过对煤结构的表征,设计分子结构单元中有芳香烃碳原子118个,羧基和羰基共5个,脂肪烃碳原子35个,氧、硫、氮原子各8、 2、 2个;根据煤中杂原子结构解析结果,确定分子结构模型单元中包含噻吩、亚砜、吡啶、吡咯、酚羟基、醚氧键等官能团。以此研究为基础构建分子式为C_(165)H_(128)O_8N_2S_2的高阳高硫气肥煤分子结构单元模型。     

不同变质程度煤样化学结构特征FTIR表征

为研究煤样的化学结构特征随煤样变质程度加深的演化规律,采用傅里叶变换红外光谱与分峰拟合技术研究了5种不同变质程度煤样的官能团分布特征,并依据其结果计算了结构参数。结果表明：不同变质程度煤样的化学结构特征存在明显差异,但随煤样变质程度加深,其演化规律整体趋势相似,即相对具有较高活性的官能团逐渐减少,较为稳定的官能团逐渐增加,煤样的化学结构整体向稳定、有序发育。在羟基官能团方面,游离羟基逐渐减少,而羟基与芳环中π电子云间形成的羟基-π氢键逐渐增加,羟基自缔合氢键是煤中羟基氢键的主要类型,其相对含量在40％～55％内波动,羟基醚氧氢键与环状缔合氢键整体呈减少趋势。在脂肪烃结构方面,实验煤样中亚甲基的相对含量均高于甲基与次甲基,说明煤中脂环结构与脂链结构较为发达;而结构参数A(CH₂)/A(CH₃)先增后减,说明由甲基、亚甲基与次甲基构成的脂肪链在低变质程度煤样中有发育趋势,在中、高变质程度煤样中开始断裂,脂肪链总体长度呈先增长后缩短趋势,但支链数量整体上却呈先减后增趋势。在含氧官能团方面,芳香酯减少,活性较高的羧基逐渐减少,羰基在低、中变质程度煤样中相对含量的变化较小,而在高变质程度煤样中的相对含量明显减少;酚中C-O的相对含量呈先增后减趋势,芳基醚与烷基醚的相对含量逐渐增加,并成为无烟煤中的主要含氧官能团。在芳香烃结构方面,苯环取代以三取代为主,结构参数fC_ar与DOC逐渐变大,说明煤中芳香体系增大,芳香结构缩合程度逐渐增强,无烟煤中芳香结构的缩合程度远强于其他煤样。     

高硫肥煤碳结构研究与光谱学表征

煤结构是煤化学的重要研究内容,优质肥煤在我国属于稀缺炼焦煤种。碳是煤结构的基本骨架,是构成煤中有机质及形成焦炭的主要元素。研究高硫肥煤中的碳结构对认知肥煤结构与性质,提高低品质炼焦煤利用效率具有重要意义。采集并制备山东东滩（DT）和山西水峪（SY）、霍州（HZ）、高阳（GY）四个矿区的肥煤样品,利用X-射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）以及 X-射线光电子能谱（XPS）对煤中碳结构进行谱学表征和联合解析,结合煤质分析结果,计算不同肥煤样品的碳结构参数。研究结果表明：SY,HZ,GY和DT四种肥煤的芳香度f_a-XRD依次增大,芳香层片的延展度L_c和堆垛高度L_a依次减小,山西煤的芳香碳结构层片在排列规整度和芳香环缩合程度上强于东滩煤。DT和GY煤中芳香烃结构主要以苯环五取代、苯环四取代和苯环三取代形式存在,SY与HZ煤中芳香结构以苯环二取代和苯环四取代为主。DT和GY煤含有较多的支链和较高的芳环缩合度。四种肥煤中脂肪结构均是以亚甲基为主,DT,SY,HZ和GY煤的亚甲基占脂肪结构的比例分别为46.27%,48.89%,44.21%和41.85%,煤中含有较多的烷基侧链。GY与DT煤中甲基含量略高于次甲基,SY和HZ煤则相反,这主要与不同煤样在成烃期间长脂肪族结构发生断裂的程度有关。SY,HZ,GY和DT煤的芳碳率分别为0.83,0.81,0.74和0.68,芳氢率分别为0.51,0.43,0.34和0.29,煤中芳构化程度依次减小,芳香环缩合度依次升高。DT和HZ煤的氧化程度较高,DT煤含有较多的C-O结构,判断DT煤中存在较多不易被热分解或不易起化学反应的非活性氧。     

红外光谱定量研究不同煤阶煤的化学结构

为定量研究不同煤阶煤的化学结构,借助傅里叶红外光谱,对河曲长焰煤、柳林焦煤及晋城无烟煤进行了化学结构表征。从红外的四个谱段来看,每一谱段都发生了一定的变化。在芳香结构中,河曲煤有5个峰位,柳林煤减小为3个峰位,而后至晋城煤又增加到5个峰位。在含氧官能团中,随着煤阶的升高,波数在1 100~1 350 cm^-1的峰面积逐渐减小,峰形变得平缓,这说明煤化作用是富碳、脱氧的过程。在脂肪烃中,谱图中波数在2 952 cm^-1附近的肩峰加宽,说明甲基的含量增加。波数在2 895 cm^-1附近的峰形逐渐变缓,说明次甲基的含量减小。在氢键范围内,随着煤阶的增高,谱图先变缓后变陡,波数在3 400 cm^-1附近变化尤为突出,说明煤中自缔合羟基的含量先减小后增加。并运用Origin7.5软件对所得到的红外谱图进行分峰拟合及归属。结果表明:苯环的取代方式主要以三取代为主,随着煤阶的增高,苯环三、四取代含量下降,二、五取代含量升高;其中苯环三取代的含量由63%降至32%,苯环四取代由17.21%降至12.86%,而苯环二取代则由12.36%增至24.44%,苯环五取代由6.55%增至26.58%。红外归属中,不同煤阶煤灰分的百分含量,与其工业分析中灰分含量有很好地对应。随着煤阶的增高,碳氧单键的比例由37.22%降至27.83%;碳碳双键含量由31.02%升高到36.86%,而后又降至25.42%;碳氧双键含量有微小变化,由13.07%降到13.02%,然后又升至13.81%。脂肪烃中,随着煤化程度的加深,甲基对称伸缩振动占比分别为11.67%, 11.81%和12.92%,甲基反对称伸缩振动占比分别为18.74%, 18.94%, 24.76%,而次甲基的伸缩振动占比分别为17.38%, 12.53%, 11.57%,亚甲基对称伸缩振动占比分别为18.09%, 18.14%和15.43%,亚甲基的反对称伸缩振动占比分别为34.41%, 38.58%和35.32%。亚甲基的对称与反对称的比例都出现先增加后减小的趋势;甲基的对称与反对称伸缩振动的比例则呈增加趋势;次甲基的含量呈降低趋势。羟基-N氢键存在于河曲煤与柳林煤中,晋城煤无此类氢键;煤阶越低,其百分含量越大。随着煤阶的增高,环状缔合氢键由19.03%降至12.71%,羟基-醚氢键由27.20%降至16.89%;这是由于低煤阶煤中羧酸、羟基等含氧官能团的含量高。自缔合羟基含量先由39.63%减小到34.78%,而后又增加至37.88%;而羟基-π氢键的含量由9.84%上升至27.77%。这些变化揭示了煤化作用是一个富碳、去氢、脱氧、去除杂原子的复杂演化过程;对探索煤大分子结构演化特征及控制机理有借鉴意义。     

陕北侏罗纪富镜煤和富惰煤分子结构的FTIR，XPS和13C NMR表征

侏罗纪优质煤炭资源为煤制油、制气等清洁高效利用提供了丰富的物质基础,其显微组分以富集惰质组为特征,而镜质组与惰质组大分子结构在很大程度上决定了煤的物理化学性质和工艺性能,进而决定了煤炭资源的综合利用效率及附加值。采集并制备了陕北侏罗纪煤田小保当煤矿和柠条塔煤矿的原煤(XR)、富镜质组煤(XV、NV)和富惰质组煤(XI、NI)样品,利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、固体13C核磁共振谱(13C NMR)等手段,结合煤质分析结果,定量表征了不同显微组分富集物分子结构的差异。研究结果表明：XI和NI煤中芳烃结构芳环取代程度低,主要以3个相邻、4~5个相邻的氢原子形式存在,苯环上氢原子较少被其他官能团取代,同时其结构中芳烃C═C骨架振动明显,脂肪结构中亚甲基伸缩振动强度较低,并且甲基含量略高于富镜煤,C═O基团相对含量略高,表明富惰煤有较多含氧桥键相连的芳香结构,其结构中脂族链、脂环基团脱落、断裂以及芳烃富集,支链相对较少且长度较短,芳碳率、芳香度、芳环缩合程度及成熟度较高。XV和NV煤中表面结构中碳的赋存形态“C—C,C—H”,“C—O”的相对含量高于富惰煤,反映其结构中应含较多的芳环取代的脂肪族侧链,XI和NI煤表面结构中氧的赋存形态以“C—O”为主,“C═O”和“COO—”明显高于富镜煤。XV和XI煤的芳碳率分别为57.91%和66.02%,脂甲基碳分别为10.02%和7.84%,质子化芳碳为非质子化芳碳的两倍,XV煤的羰基和羧基碳相对含量较高,两者桥碳和周碳之比分别为0.25和0.40,芳香核结构平均缩合环数分别为2.68和3.03,平均尺寸分别为0.448和0.676 nm,XI煤结构中芳香核以萘和蒽为主,支链化度L_γ分别为0.22和0.19,表明XV比XI存在较多脂肪侧链、饱和环结构,生烃(油)潜力大。     

不同物料和炭化方式制备生物炭结构性质的FTIR研究

红外光谱是了解生物炭结构性质特征的重要手段。通过采用傅里叶红外光谱技术(FTIR)对不同物料和制备方式的生物炭结构性质特征进行表征。结果表明：不同的物料制备的生物炭均具有羟基、芳香基及一些含氧基团的吸收峰,与活性碳有共同特征;但其他吸收峰,有着显著差异。高温炭化可以使玉米秸秆中—OH,—CH₃,—CH₂—,CO间发生缔合或消除,促进了芳香基团的形成。在不同炭化方式下,加热和微波炭化,对生物炭形成有着机理上差别,加热炭化可致使醇、酚中的—OH彼此结合或者消除,形成苯环类基团,而微波法能使得芳香基团钝化阻止其参与反应,使得苯环类物质得以更多形成。综上表明,红外光谱可较好反映生物炭的结构特征,揭示了生物炭主要含有—OH、芳香基团等活性基团。     

水溶性沥青分子结构的光谱解析

水溶性沥青是煤焦油沥青经酸氧化改质得到的水溶物含量大于70%的改性沥青，不仅兼有普通沥青的多环芳烃结构，同时表面结构中引入了大量含氧、氮、硫等极性官能团，可在水相中制备复合型炭材料。应用荧光、红外、紫外光谱及核磁共振技术并结合Yen-Mullins模型解析了混酸法制备的水溶性沥青的分子结构。结果表明：与中温煤沥青相比，主要杂原子N，O和S质量分数分别由1.06%，11.64%，0.79%增加到6.78%，29.59%，2.41%；O含量的显著增加，增强了沥青的亲水性。红外光谱体现了水溶性沥青的杂原子N，O和S以Ar-NO₂，Ar-OH，Ar-SO₃H和CO等形式存在；通过荧光发射光谱特征峰与Yen-Mullins模型对比，得出水溶性沥青的芳香结构主要是由3种稠环的“岛屿结构”芳香片段组成；1H-NMR和13C-NMR分析表明，水溶性沥青分子芳环侧链被氧化成仅含有1个C且链接不同官能团的脂肪碎片，该碎片与“岛屿结构”作为主要部分构成水溶性沥青分子的稳定结构。由此看出，元素分析结合红外光谱可从本质上解释水溶性沥青易溶于碱性水溶液的原因，荧光谱图与Yen-Mullins模型结合可从微观上解释水溶性沥青的主要结构，为判定不同性质的沥青提供一种方法。     

低煤级煤生烃与结构演化的耦合机理研究

应用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热解气相色谱(GC)对低煤级煤生烃过程中有机质结构演化进行表征,剖析了人工热演化过程中气态烃产率,解析了煤结构官能团的变化规律,揭示了低煤级煤生烃与结构演化的耦合机理。结果表明：煤热模拟产物主要为气态烃C_1-5,甲烷生成瞬时产率包含四个峰值,低煤级煤化学结构中含氧官能团和烷基侧链随煤化程度的增高以不同的速度发生脱落,随煤级的增加,其芳构化程度增大。分别对煤结构中的脂肪烃甲基、CO基、芳香烃芳核CC和烷烃结构上甲基、亚甲基进行表征。存在420 ℃温度转折点,之前吸收峰强度逐渐减小,之后又略有增大,揭示了低煤级煤三个主要结构演化阶段煤化作用机理,提出了低煤级煤生烃结构演化模式图。     

炼焦煤中有机硫赋存表征及微波对噻吩硫作用机理研究（英文）

掌握炼焦煤中有机硫的禀赋特征,认知微波对煤中有机硫结构的化学作用机制,对丰富煤炭脱硫理论体系,优化煤炭微波脱硫工艺,开发煤精细加工新技术具有重要意义。应用XPS和XANES表征炼焦煤中有机硫的主要赋存结构类型及其相对含量,基于煤密度特性的差异,探索有机硫类型及其含量的变化规律。选择苯并噻吩和3-噻吩甲酸两种模型化合物,分别进行915和2 450 MHz频率微波辐射实验,通过Raman光谱研究模型化合物中含硫结构的变化特征,利用Materials Studio进行量子化学模拟,计算不同方向外加能量场作用下模型化合物的构型参数,比较微波辐射前后,模型化合物构象变化,解析煤中含硫化学键对微波能量的响应机制。XPS和XANES表征结果显示,炼焦煤中硫以有机硫为主,噻吩是煤中最主要的有机硫赋存形式。随着炼焦煤密度级的增加,噻吩硫相对含量逐渐减小,硫醇(醚)和(亚)砜相对含量逐渐增大,三类有机硫赋存含量趋于平均。施加不同方向的外加能量场后,苯并噻吩和3-噻吩甲酸中含硫化学键键长和键级变化不明显,说明微波能量场对化学键的拉伸和扭转作用有限,但是,对模型化合物分子结构中的键角和偶极矩具有影响,并且,不同的能量场施加方向对键角和偶极矩的影响效果不一样。Raman谱图分析显示, 915和2 450 MHz频率微波辐射后,模型化合物中含硫化学键振动峰都出现了红移。因此,微波辐射影响了模型化合物微环境局部结构,改变了其分子构型和分子极性,减小了晶格的振动恢复力,削弱了原子间的相互作用力,促进了含硫化学键的断裂及硫的解离。同时,发现915 MHz频率微波辐射具有比2 450 MHz更加明显的作用效果。     

微波辐射炼焦煤中噻吩硫结构的非热效应研究

采用XANES和XPS解析山西炼焦煤中有机硫的赋存特征,选择与煤中结构匹配的噻吩硫模型化合物进行微波辐射和水浴加热,通过Raman光谱比较研究两者对模型化合物中含硫结构的作用机制,利用Materials Studio构建、优化模型化合物结构,用密度泛函理论计算模拟微波场中模型化合物分子构型参数,解析含硫结构对微波的响应机理。结果表明：噻吩硫是炼焦煤中有机硫最主要的赋存形式。微波辐射后,模型化合物碳硫键和硫硫键的Raman谱吸收峰发生红移,温升速度快的模型化合物红移较小;相同温升的水浴加热后,几乎没有红移现象。微波能量不足以使模型化合物中碳硫键和硫硫键断裂,但能够改变分子构型,模型化合物含硫键在微波场中可能存在某种过渡态。微波作用对煤中噻吩硫结构存在非热效应。     

不同煤岩成分的焦煤萃取后FTIR特征研究

为了研究不同煤岩成分煤萃取后的化学组成变化特征,选取平顶山焦煤作为研究对象,采用四氢呋喃(THF)、二硫化碳(CS₂)、醋酸(HAc)等有机溶剂对煤样进行索氏萃取;借助于柱层析法、傅里叶变换红外光谱法等手段,对溶剂萃取后煤样的萃取率、族组分及特征官能团进行了计算和分析。研究表明：镜煤的萃取率最高,其次是亮煤、暗煤;相比而言,有机溶剂CS₂对煤样的萃取率最高,THF的萃取率高于有机酸HAc;萃取物中,镜煤、亮煤、暗煤的总烃类含量依次减小,非烃类组分含量依次增大,THF溶剂萃取后以沥青质含量最高,CS₂溶剂萃取后以饱和烃含量最高;镜煤的脂肪烃及含氧官能团含量最高,脂肪结构参数I₄最大,芳构化程度参数I₂最小,芳/脂比最小,而暗煤最大。萃取后,脂肪烃及含氧官能团含量较原煤均出现不同程度的减少,以镜煤最为明显,暗煤萃余物的芳烃含量最多,芳构化程度参数I₂最大,芳/脂比最大。其中,CS₂溶剂萃取后,煤中的富氧程度降低最为明显,而THF对与氢键缔合的-OH,-NH,酚类等官能团及脂肪烃溶解性最好。     

TG-FTIR法研究低变质煤共热解过程气体的析出规律

采用热重-红外联用技术（TG-FTIR）对比研究了陕北低变质粉煤（SJC）与重油（HS）、焦煤（JM）、液化残渣（DCLR）共热解过程中气相产物的析出特性。研究表明,随热解温度升高,SJC与HS,JM,DCLR的共热解过程均可分为三个阶段。第一阶段表现为原料表面吸附物的释放,第二阶段发生解聚和分解反应,随温度继续升高,第三阶段形成更为稳定的半焦。在热解第二阶段中均存在煤与添加剂之间的协同效应,SJC作为主要的供氢体,热解产生的氢自由基与HS,JM,DCLR热解产生的小分子自由基碎片之间发生相互作用生成焦油和煤气。SJC和SJC+DCLR在450 ℃附近的温度区间内热解反应进行的更加充分,大部分N元素转移到了焦油组分中。热解过程气相产物中H₂O和酚类物质、含N杂环物质及CO的析出伴随着热解的整个温度区间,SJC+JM和SJC+HS热解过程含N物质的转移主要集中在400~650 ℃区间,CH₄和脂肪烃类物质的析出最高峰出现在450 ℃附近,而SJC+DCLR和SJC则出现在550 ℃。JM,HS及DCLR的添加可促使焦油中芳香族化合物的析出,SJC+JM与SJC+HS热解过程芳香族物质大量析出的温度区间在400~550 ℃。该研究结果为低变质粉煤的清洁转化与提质分级新技术的研究开发提供理论依据,对低变质煤的增值利用具有重要的意义。     

热解和生物降解对木本泥炭生烃与结构演化的红外光谱响应

傅里叶变换红外光谱分析物质分子结构具有独特的优势。为认识成煤有机质在微生物降解和热解阶段的生烃演化特征及物质结构变化特征,采用密封体系生烃热解和厌氧微生物降解岩样生烃物理模拟实验及傅里叶变换红外光谱分析等技术手段,研究了成煤母质(木本泥炭)的生烃演化特征(包括热解作用生成热成因气和微生物降解作用生成生物成因气的生烃潜力)及发生微生物降解和热解作用前后样品的分子结构变化特征及其机理。结果表明随模拟温度的升高,热解气烃类气体(主要为CH₄)累计产率逐渐增加,非烃类气体(如CO₂)分别在250和375 ℃出现两个产气高峰;随煤岩镜质组反射率的升高,微生物对其降解能力逐渐减弱;镜质组反射率介于1.6%～1.8%的泥炭热解样没有气体产出;泥炭经热解作用后,羟基含量随热解温度的升高先减少后增多,醛羰基、亚甲基和磷酸根的含量降低,芳香酸酯呈不单一减少趋势,伸缩振动S—O键在350 ℃之后的样品中出现且含量逐渐增加,说明其对微生物降解具抑制作用;泥炭经微生物降解作用后,酚、醇羟基、醛羰基、芳香酸酯、亚甲基和磷酸根的相对含量都大幅下降,且这些基团的分子间作用力相对减弱。     

煤直接液化中油煤浆热溶产物的13C NMR研究

研究油煤浆热溶产物的成分及含量的变化是控制煤直接液化工艺的重要因素之一. 本文采用固体核磁共振研究了在高压釜中用不同溶剂在不同温度下（250~370 ℃）得到的神华煤及其热溶产物的一些变化规律. 通过对神华煤及其热溶中间产物与抽余煤的¹³C CP/MAS/TOSS NMR分析可知, 神华煤经热溶处理后, 脱除了一些含氧官能团以及某些脂肪烃结构. 同时, 一些芳香桥碳分子和被取代的芳香碳环发生了断裂, 随着反应温度逐渐升高, 由于不断供氢, 四氢呋喃抽提物的芳香度逐渐降低, 抽提率逐渐增大.      

Oxygen consumption and chemisorption in low-temperature oxidation of sub-bituminous pulverized coal

Studying the effect of oxygen in coal oxidation is very important for understanding and controlling coal spontaneous combustion. However, the oxygen effect is not very easy to determine clearly due to the large effect of heat source on coal oxidation in temperature rising experiments. Here, focused on sub-bituminous coal, the oxygen effect was separated from coal oxidation by continuously measuring FTIR spectra of coal with respect to varying temperatures and under oxygen and nitrogen. The active groups’ real-time changes of coal oxidation, thermal treatment and oxygen effect were measured. The carboxylic ester and carboxyl units are the main functional groups that increase with temperatures increasing under oxygen and nitrogen, while the other functional groups decrease in quantity. The oxygen effect promoted the consumption of aliphatic hydrocarbons and hydroxyl groups and also promoted the formation of oxygen-containing groups (except hydroxyl). Four characteristic temperature stages involved in the oxygen effect and their key functional groups were identified. Simultaneously, the relationship of oxygen consumption and chemisorption in oxygen effect was analyzed. The starting temperature of oxygen chemisorption is between 50 and 60°C. The maximum contribution of oxygen effect was observed in methyl and methylene groups. These results are important for chemical control of coal spontaneous combustion. The oxidation of aliphatic hydrocarbon should be controlled before oxygen chemisorption. The value of oxygen consumption between 70 and 80°C can be measured accurately due to the constant chemisorption rate, which help to identify the tendency for spontaneous combustion. These results will help in better understanding of the reaction mechanism of coal oxidation, especially the oxygen effect.