煤热解及氧化过程中含氧官能团的演化

发布时间：2020-07-15 15:04

【摘要】：煤炭作为我国主要的能源和化工原料,其利用和污染问题尤为突出。煤的高效、洁净转化利用是控制和减轻利用过程中资源浪费和环境污染的重要途径,煤微观结构的差异导致不同煤种的开采、利用有着较大的差异,在煤的微观结构中含氧官能团扮演着重要的角色。因此研究煤转化和燃烧利用过程中含氧官能团的演化规律对揭示煤热解氧化机理有着重要意义。本文主要基于煤分子结构官能团模型和FG-DVC模型,利用FTIR和TG-FTIR技术将煤热反应过程中微观结构变化和宏观产物特性相结合研究了在煤热解和氧化过程中含氧官能团的演化规律,以及含氧官能团对煤热反应的影响和发生的基团反应。首先基于FTIR表征手段,利用分峰拟合的方法依据Lamber-Beer定律研究了褐煤、烟煤、贫煤三种不同变质程度煤中含氧官能团的分布规律,研究发现含氧官能团的赋存状态以及含量分布随着煤阶的提升种类减少且含量降低,通过比较不同煤种的结构参数可以发现煤化过程是个脱氧、聚碳、去氢的过程。其次研究了在热解和氧化过程煤中含氧官能团的含量变化规律,发现主要含氧官能团的稳定性由强到弱:C-OC=O-OHCOOH,在500℃以上除少量羟基存在其余有机含氧官能团接近完全转化。另外在煤热反应过程中C=O和COOH会作为过渡态中间产物而出现短暂增多,该现象在氧化过程中更为明显。最后利用TG-FTIR研究了煤热解氧化过程中含氧气体的释放规律,结合微观含氧官能团的演化规律推断出煤热反应过程中发生的基团反应。结果表明:CO_2、H_2O以及CO的释放特性可以较好地解释COOH、OH、以及C=O的演化规律。并利用TG积分法和DSC热流法分别分段计算了煤热反应的特征温度和动力学参数,结果发现含氧官能团主要影响煤热反应的低温段,由于含氧官能团活性较强且反应过程中释放热量因此低阶煤热解氧化对应特征温度和活化能均低于高阶煤。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ530.2
【图文】：

热解过程,烟煤

图 1.4 典型烟煤的热解过程煤的热解过程微观层面上是自由基过程，是由结构内弱键断裂所致[24]。具体包下几个步骤：低温下键能较小的弱键断裂，形成最初的自由基片段；随后部分脂侧链和含氧官能团脱落，析出气相产物；某些氢化芳香结构发生脱氢反应；次甲分子和脂环相继断裂[25]。煤结构高度复杂，产物不均一，因此清晰描述煤的热解一直很困难。近百年来，人们通过将煤热解过程抽象化与数学化，并建立物理化

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华中科技大学硕士学位论文主要包括：官能团解聚、蒸发和交联（FG-DVC）模型[29]、FLASHCHAIN 模型和化学参透脱挥发分（CPD）模型[30]；其中 FG-DVC 模型适用性广，通用性强，作为研究煤热解机理的新型模型得到广泛应用。FG-DVC 模型： FG-DVC （ Functional Group Depolymerization VaporizationCrosslinking），该模型由 Solomon[10]提出，是具有代表性的一种基于煤结构的网络模型，是建立在对煤结构研究的基础上。该模型主要由 FG 和 DVC 两个子模型组成，前者认为煤中的官能团热解过程分解生成气体释放，而后者主要是通过桥键断裂、交联和焦油来描述煤分子网络的解聚。

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尤其是在未知物（无机物，有机物，高分子材料，塑料，橡胶等定量分析，表面和界面研究，反应动力学和催化机理研究，高聚物分子络合物和金属有机物的远红外分析有突出作用。傅里叶红外分析法作为的技术手段已经被很多学者应用于煤中微观结构及官能团的研究，并被是切实可行且有效的。本原理叶显微红外光谱仪（FTIR）的基本工作原理是基于光的相干性原理，使红外光源照射红外样品，部分波长的光被样品吸收而没被吸收的光到达模数变换，然后再进行傅里叶变换，便得到样品的单光束光谱[53]。FTIR意图如下：

【参考文献】