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

【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。 【关键词】：低煤阶煤 热解 甲烷 氢气 生成机理
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：P618.11
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 论文的选题目的与意义10
• 1.2 煤成烃的研究进展10-15
• 1.2.1 煤中有机质成烃作用10-11
• 1.2.2 热解技术在煤结构研究领域的应用11-12
• 1.2.3 甲烷的生成特征研究12-15
• 1.2.4 氢气生成机理研究15
• 1.3 研究思路与技术路线15-18
• 第二章 实验测试方法18-24
• 2.1 样品制备18-19
• 2.1.1 提取腐殖酸18
• 2.1.2 抽提18-19
• 2.2 实验装置19-20
• 2.2.1 热重法19
• 2.2.2 热重-质谱联用19-20
• 2.3 分析方法20-24
• 2.3.1 工业分析与元素分析20-22
• 2.3.2 傅立叶红外光谱分析22
• 2.3.3 溶剂抽提22-24
• 第三章 样品的红外光谱分析24-60
• 3.1 原煤的红外光谱分析24-38
• 3.1.1 原煤的红外光谱分析24-25
• 3.1.2 原煤的红外光谱分峰拟合25-35
• 3.1.3 红外结构参数的计算35-38
• 3.2 腐殖酸的红外光谱分析38-44
• 3.2.1 腐殖酸的红外光谱38-39
• 3.2.2 腐殖酸红外光谱分峰拟合39-43
• 3.2.3 结构参数43-44
• 3.3 腐殖酸残煤的红外光谱分析44-51
• 3.3.1 腐殖酸提取后残煤红外光谱44-45
• 3.3.2 提取腐殖酸后残煤红外光谱分峰拟合45-49
• 3.3.3 腐殖酸残煤结构参数49-51
• 3.4 抽提残煤的红外光谱51-58
• 3.4.1 抽提后残煤红外光谱分峰拟合53-57
• 3.4.2 抽提残煤结构参数57-58
• 3.5 小结58-60
• 第四章 样品的宏观热解特性及动力学分析60-76
• 4.1 原煤的热解特性及动力学分析60-64
• 4.1.1 原煤的热解特性60-61
• 4.1.2 原煤热解特征参数61-62
• 4.1.3 原煤的热解动力学分析62-64
• 4.2 腐殖酸的热解特性64-66
• 4.3 腐殖酸残煤热解特性66-69
• 4.4 抽提残煤的热解特性69-72
• 4.5 沥青质的热解特性72-75
• 4.6 小结75-76
• 第五章 甲烷及氢气的生成特征与动力学分析76-120
• 5.1 甲烷生成特性76-98
• 5.1.1 原煤热解甲烷生成特性及动力学分析76-81
• 5.1.2 腐殖酸热解甲烷析出特性及动力学分析81-85
• 5.1.3 腐殖酸残煤热解生成甲烷特性及动力学分析85-90
• 5.1.4 抽提残煤热解甲烷析出特征及动力学分析90-94
• 5.1.5 沥青质热解甲烷析出特征及动力学分析94-98
• 5.1.6 甲烷总析出量比较98
• 5.2 氢气析出特征98-118
• 5.2.2 腐殖酸热解氢气析出特征及动力学103-107
• 5.2.3 腐殖酸残煤热解氢气析出特征107-111
• 5.2.4 抽提残煤热解氢气析出特征机动力学分析111-115
• 5.2.5 沥青质热解氢气生成特性及动力学分析115-118
• 5.2.6 氢气生成总量比较118
• 5.3 小结118-120
• 第六章 甲烷与氢气的形成机理120-136
• 6.1 热解甲烷形成机制120-129
• 6.1.1 甲烷生成特征120-121
• 6.1.2 甲烷生成机理分析121-129
• 6.2 热解氢气形成机制分析129-133
• 6.2.1 氢气生成特征129-131
• 6.2.2 氢气生成机理分析131-133
• 6.3 总结133-136
• 第七章 论文结论与研究展望136-140
• 7.1 结论136-139
• 7.1.1 煤的结构特征136
• 7.1.2 煤的热解特性136-137
• 7.1.3 甲烷与氢气的生成特征137
• 7.1.4 甲烷与氢气生成机理137-139
• 7.2 论文的不足139
• 7.3 前景展望139-140
• 参考文献140-144
• 致谢144-145
• 攻读学位期间发表的学术论文145

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