煤热解及氧化过程中含氧官能团的演化

煤热解及氧化过程中含氧官能团的演化
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-O>C=O>-OH>COOH,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:CO₂、H₂O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。