煤质结构及气化活性研究

发布时间：2020-04-05 11:22

【摘要】：贵州的煤高灰熔点、高灰分、高硫分同时含的金属元素杂质较多,煤的气化效率低,对于不同变质程度的贵州煤,各种煤的官能团,大分子结构以及小分子间的分子作用力都是不同的,因此,需要从结构上研究贵州煤的特性,以便于贵州煤的洁净利用和高效转化。本文研究了贵州桐梓无烟煤、贵阳无烟煤以及六盘水红旗烟煤、小河桥烟煤,然后对选取的四个贵州煤样进行了工业分析和元素分析、13C-NMR、XRD、IR等一系列分析,并在固定床反应器上测试了它们的CO2气化活性,得出以下结论:1.通过利用扫描电镜/能谱法、X射线衍射法、傅里叶红外光谱、X射线光电子能谱、固体13C核磁共振对实验煤样进行了测定,得到各种煤中元素半定量结果、微晶结构参数、官能团、原子(主要包括C、O、N、S)价态及含量、碳原子分布以及芳香度等信息,发现各种煤的微晶结构参数、官能团、原子(主要包括C、O、N、S)价态及含量、碳原子分布以及芳香度均有明显的不同,说明不同的煤中这些结构参数各有其特点。2.利用分析检测的数据,使用chemoffice 2004软件绘制出各种煤的结构模型,TZ、GY、HQ、XHQ煤的模型分子式分别为C136H76O16N2S、C138H102O22N2S3、C136H100O29N2、C121H74O25N2,构建的模型的各项元素组成与测试值都很接近。3.利用Materials Studio 6.0软件对得到的各种煤样的结构模型进行了优化,通过几何优化和能量最小化模拟后,使得煤的结构模型更加合理。构建的结构模型显示TZ、GY、HQ、XHQ煤的结构中芳香碳原子的存在形式主要以萘、蒽和芘的形式存在,少量以含杂原子环的形式存在,脂肪碳在结构中主要起到连接芳香结构单元的作用,氧主要是以酚羟基和羰基的形式存在,同时还有少量的羧基,可能为风化作用所致,氮主要是以吡啶和吡咯的形式存在,说明这两种形式在煤中比较稳定,硫主要是以硫醇硫醚和噻吩型硫的形式存在。4.在自行设计的固定床反应器中对四种贵州煤及其酸洗煤样进行CO2气化活性测定,同时结合XRD分析数据和建立的煤的结构模型,研究煤的结构模型与气化活性差异的原因,在实验的温度段中,反应温度越高,煤的气化活性越高,在1150℃时,四个煤样的气化活性达到最大,TZ、GY、HQ、XHQ煤焦的CO2气化活性分别可达到40.8%、42%、48.4%、50%,TZ、GY、HQ、XHQ酸洗煤焦的CO2气化活性分别可达到35.6%、38.7%、45%、46.2%,说明降低灰分含量后煤的CO2气化活性有小幅度的下降,适量的灰分对煤的气化有一定的促进作用。在相同反应温度下,随着反应的进行,四个煤样的气化活性都有小幅度的下降。通过分析950℃、1050℃、1150℃条件下各种煤焦的XRD图,结果发现在高温下,CaO易与其他矿物质在一起发生低温共熔现象,降低了煤灰熔点。XRD图中显示在高温下有少量的比较复杂的硅铝化合物形成,这些硅铝化合物提高了煤的灰熔点,会降低煤气化的效率。酚羟基在加热过程中可以生成甲烷、苯和一氧化碳,对生成一氧化碳会有阻碍作用,羧基在加热过程中会生成水和二氧化碳,羧基的存在使得煤的气化反应性提高;六元苯环的存在会对煤的CO2气化活性有阻碍作用。另外,硫元素的存在使得煤中矿物质催化失活,会对煤的CO2气化活性有一定的阻碍作用。
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ541

【参考文献】