低煤阶煤及不同化学组分热解甲烷和氢气的生成特征与机理

论文摘要

低煤阶煤中含有丰富的有机质,这些有机质在热演化过程中会形成大量的气态烃和液态烃。这些烃类的形成过程与机理是煤化学、煤地球化学等学科的重点研究内容。甲烷与氢气的生成是煤热解过程中的重要反应,分析煤热解过程中甲烷与氢气析出特征与反应机制有助于理解煤的热解机理,也为煤成气的成藏机制的理解以及制取清洁能源提供理论基础。本文对二连盆地乌兰图嘎矿和乌尼特矿煤的五种煤样进行提取腐殖酸处理,对提取腐殖酸后的残煤进行吡啶抽提。应用TG/MS对原煤（YM）、腐殖酸（HA）、提取腐殖酸后残煤（HACM）、提取腐殖酸后的残煤经吡啶抽提后残煤（CTCM）、沥青质（LQZ）进行热解特征分析,并结合结构特征分析原煤及不同组分热解生成甲烷与氢气的生成机理。主要得到以下结论:1.煤的结构特征:原煤的fa随H/C增加而减小,腐殖酸的Hal/Har较原煤略有变大趋势,脂肪链较原煤变长,支链减少。原煤提取腐殖酸后,其2920 cm-1和2860 cm-1处的脂肪族-CH2-、-CH3的伸缩振动峰强度降低,1620 cm-1处的芳香族C=C骨架振动峰强度降低,含氧官能团减少。溶剂抽提对fa没有显著影响。2.原煤最大失重速率随2924 cm-1增加而增大,腐殖酸、腐殖酸残煤、抽提残煤的热解初始温度较低,在高温区DTG曲线出现双峰。沥青质失重率最大。3.甲烷生成的温度范围在100℃-800℃之间,原煤热解甲烷生成总量与H/C成正相关性。腐殖酸中的甲烷生成与官能团中的甲基脱落有很大关系。腐殖酸残煤与抽提残煤的甲烷析出速率曲线都有三个尖峰出现。沥青质生成甲烷最少,原煤次之,腐殖酸,腐殖酸残煤和抽提残煤较高。氢气析出初始温度在300℃左右,原煤中氢气生成与脂肪结构中的C=O有很大关系,腐殖酸热解生成氢气的最大速率峰温随2964/1618 cm-1增大而升高。腐殖酸残煤与抽提残煤热解生成氢气的产量相差不大。沥青质热解生成氢气的最大峰温较腐殖酸残煤和抽提残煤延后。原煤的氢气总生成量最少,而腐殖酸、腐殖酸残煤、抽提残煤和沥青质的生成量相差不大。4.甲烷与氢气的生成都是多种反应综合作用的结果,以Ⅳ样品为例,原煤、腐殖酸残煤和抽提残煤在热解过程中甲烷与氢气的总生成量与H/C和O/C有关。提取腐殖酸与溶剂抽提都使甲烷产率增加。对氢气而言抽提后氢气产量则减少。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文的选题目的与意义
• 1.2 煤成烃的研究进展
• 1.2.1 煤中有机质成烃作用
• 1.2.2 热解技术在煤结构研究领域的应用
• 1.2.3 甲烷的生成特征研究
• 1.2.4 氢气生成机理研究
• 1.3 研究思路与技术路线
• 第二章 实验测试方法
• 2.1 样品制备
• 2.1.1 提取腐殖酸
• 2.1.2 抽提
• 2.2 实验装置
• 2.2.1 热重法
• 2.2.2 热重-质谱联用
• 2.3 分析方法
• 2.3.1 工业分析与元素分析
• 2.3.2 傅立叶红外光谱分析
• 2.3.3 溶剂抽提
• 第三章 样品的红外光谱分析
• 3.1 原煤的红外光谱分析
• 3.1.1 原煤的红外光谱分析
• 3.1.2 原煤的红外光谱分峰拟合
• 3.1.3 红外结构参数的计算
• 3.2 腐殖酸的红外光谱分析
• 3.2.1 腐殖酸的红外光谱
• 3.2.2 腐殖酸红外光谱分峰拟合
• 3.2.3 结构参数
• 3.3 腐殖酸残煤的红外光谱分析
• 3.3.1 腐殖酸提取后残煤红外光谱
• 3.3.2 提取腐殖酸后残煤红外光谱分峰拟合
• 3.3.3 腐殖酸残煤结构参数
• 3.4 抽提残煤的红外光谱
• 3.4.1 抽提后残煤红外光谱分峰拟合
• 3.4.2 抽提残煤结构参数
• 3.5 小结
• 第四章 样品的宏观热解特性及动力学分析
• 4.1 原煤的热解特性及动力学分析
• 4.1.1 原煤的热解特性
• 4.1.2 原煤热解特征参数
• 4.1.3 原煤的热解动力学分析
• 4.2 腐殖酸的热解特性
• 4.3 腐殖酸残煤热解特性
• 4.4 抽提残煤的热解特性
• 4.5 沥青质的热解特性
• 4.6 小结
• 第五章 甲烷及氢气的生成特征与动力学分析
• 5.1 甲烷生成特性
• 5.1.1 原煤热解甲烷生成特性及动力学分析
• 5.1.2 腐殖酸热解甲烷析出特性及动力学分析
• 5.1.3 腐殖酸残煤热解生成甲烷特性及动力学分析
• 5.1.4 抽提残煤热解甲烷析出特征及动力学分析
• 5.1.5 沥青质热解甲烷析出特征及动力学分析
• 5.1.6 甲烷总析出量比较
• 5.2 氢气析出特征
• 5.2.2 腐殖酸热解氢气析出特征及动力学
• 5.2.3 腐殖酸残煤热解氢气析出特征
• 5.2.4 抽提残煤热解氢气析出特征机动力学分析
• 5.2.5 沥青质热解氢气生成特性及动力学分析
• 5.2.6 氢气生成总量比较
• 5.3 小结
• 第六章 甲烷与氢气的形成机理
• 6.1 热解甲烷形成机制
• 6.1.1 甲烷生成特征
• 6.1.2 甲烷生成机理分析
• 6.2 热解氢气形成机制分析
• 6.2.1 氢气生成特征
• 6.2.2 氢气生成机理分析
• 6.3 总结
• 第七章 论文结论与研究展望
• 7.1 结论
• 7.1.1 煤的结构特征
• 7.1.2 煤的热解特性
• 7.1.3 甲烷与氢气的生成特征
• 7.1.4 甲烷与氢气生成机理
• 7.2 论文的不足
• 7.3 前景展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文