学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

低中变质程度煤的结构特征及热解过程中甲烷、氢气的生成机理

作　者: 段春雷
导　师: 曾凡桂
学　校: 太原理工大学
专　业: 工业催化
关键词: 煤结构 FTIR TG-MS 甲烷氢气动力学反应机理
分类号: TQ530.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 544次
引　用: 4次
阅　读: 论文下载

内容摘要

煤的组成结构不仅是煤化学研究的重要内容，而且是煤高效洁净利用的基础。从化学组成上来说，煤是由大量具有不同分子量的分子组成的混合物；从岩石学角度来说，煤是由不同显微煤岩组分组成的；从结构化学来看，煤是一种短程有序、长程无序且具有层次结构的非晶态固体物质；从成因来看，煤具有阶段性演化特征，即从褐煤经烟煤至无烟煤的演化，其物理、化学性质的演变具有阶段性演化的特点．这些特点说明煤结构具有复杂性，因此，利用不同的物理化学方法研究煤组成结构，不仅为煤科学的发展提供理论依据，也为煤炭转化奠定科学基础。本文所选用不同变质程度的—乌尼特、神华、乌兰图嘎、霍林河、义马、铁法、平朔、芒来、锡凌和哈达图煤作为研究对象，通过FTIR描述了低中变质程度煤煤化作用的地球化学机理，通过TG-MS分析了煤热解过程中生成甲烷、氢气的生成特征及生成动力学。煤样FTIR的研究结果表明，首先，随着煤变质程度的增加，煤中脂肪烃含量逐渐减少，其芳构化逐渐增大。霍林河、义马等低中变质煤样脂肪烃含量较多，脂肪链较长，芳脂比较小，具有较大的生烃潜力；而高变质程度的哈达图煤样的脂肪烃含量较少，芳香度较大，脂肪链变短。随煤化程度的增加煤中芳香度呈线性增长；另外，低中变质煤中含氧官能团主要以侧链形式出现，含量较高，而由低变质程度煤到高变质煤的转化过程中，侧链上的含氧官能团逐渐断裂，到了高变质煤主要以氧桥的形式出现。煤样TG-MS热解甲烷、氢气逸出规律表明，甲烷的开始析出温度较早，氢气较晚，二者析出温度范围都较宽；煤样的总失重量与煤的挥发分含量成正比；煤样的热解特征温度基本上是随煤化程度的提高而增大；热解氢气产生的量与煤中氧含量的多少有一定关系。从煤的红外光谱和煤热解动力学过程，结合低中变质程度煤的结构特征，可知：热解甲烷的生成由低温下的脱附和以下四种基元反应组成：（a）和氧、硫等杂原子相连的脂肪链断裂，形成甲基自由基，与氢结合形成甲烷；（b）较短的脂肪烃类官能团位断裂形成甲基，进而生成甲烷；（c）长链脂肪烃物质二次裂解形成甲基；（d）由于芳香结构的缩聚，从脂肪结构中释放出来的碳生成的。热解生成氢气由以下五种基元反应组成：（a）温度较低时，氢化芳香结构的脱氢；（b）由几种化学反应生成：C+H₂O→CO+H₂，CO+H₂O→CO₂+H₂；（c）脂肪链烷烃环化；（d）环烷烃芳构化的结果；（e）裂解后期芳香烃的缩聚产生的。从热解甲烷的四种反应类型看出：第一个反应类型的活化能都比较低，第二、三反应类型的活化能较大，是甲烷生成的主要阶段，第四反应的活化能又有所下降，但这一阶段的活化能要比第一反应的活化能高。煤热解甲烷的生成是由三种或四种反应类型组成，各反应类型对应于不同的煤中官能团热解断落，各峰的活化能表明甲烷的生成是由不同的化学反应所导致的，而甲基的生成曲线特征与热解甲烷具有较好的对应关系，表明甲基与甲烷的生成是密切相关的。在煤的演化过程中，表征煤结构的参数与热解生成甲烷、氢气各反应类型的活化能密切相关；随着H／C和O／C的减小，煤热解生成甲烷各反应类型的活化能基本呈增大的趋势，而氢气呈现先增大后减小的趋势。从氢气生成动力学看出，热解氢气的析出可以分为两个不同的过程。第一阶段温度为430～600℃之间属于缓慢生成阶段，是因为煤大分子网络结构破裂，发生剧烈的热解反应，氢气的析出可能是由裂解生成的自由基之间缩聚产生的；第二阶段为600～1000℃，从600℃开始氢气才开始大量析出，这一阶段产生的氢气主要是热解后期缩聚反应产生的，而芳环的个数也逐渐增大，这一过程伴随着氢气的释放。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-13
第一章绪论  13-19
  1.1 选题的意义  13
  1.2 煤结构特征及研究方法  13-14
    1.2.1 煤的基本结构特征  13-14
    1.2.2 煤结构特征的研究方法  14
  1.3 煤热解甲烷、氢气的生成机理  14-18
    1.3.1 热解甲烷、氢气生成动力学  14-15
    1.3.2 煤热解甲烷的生成机理  15-17
    1.3.3 煤热解氢气的生成机理  17-18
  1.4 本文研究的内容  18-19
第二章实验方法及分析测试  19-23
  2.1 煤样的选取及制备  19-20
  2.2 实验方法及装置  20-23
    2.2.1 傅立叶变换红外光谱(FTIR)  20
    2.2.2 热重─质谱联用  20-23
第三章不同变质程度煤的红外光谱分析  23-79
  3.1 实验方法  23-24
  3.2 吸收峰归属  24-28
    3.2.1 煤中羟基类型  25-26
    3.2.2 煤中脂氢的结构演化  26-27
    3.2.3 煤中含氧官能团  27
    3.2.4 芳香烃的结构演化  27-28
  3.3 煤样谱图分峰拟合  28-66
    3.3.1 煤中羟基基团  28-36
    3.3.2 脂氢分峰拟合  36-44
    3.3.3 煤中含氧官能团分峰拟合  44-56
    3.3.4 煤中芳香烃分峰拟合  56-66
  3.4 红外结构参数分析  66-78
    3.4.1 参数选择与计算  67-69
    3.4.2 结果与讨论  69-78
  3.5 本章小结  78-79
第四章煤样的热解特征  79-86
  4.1 实验方法  79
  4.2 结果与讨论  79-85
    4.2.1 热重曲线分析  79-83
    4.2.2 热重特征参数  83-85
  4.3 本章小结  85-86
第五章甲烷、氢气的生成特征及动力学参数  86-113
  5.1 实验部分  86
  5.2 数据处理方法  86-88
    5.2.1 速率曲线的拟合方法  86-87
    5.2.2 热解挥发分逸出动力学  87-88
  5.3 几种典型煤样的甲烷逸出特征及动力学  88-100
    5.3.1 甲烷逸出规律  88-90
    5.3.2 甲烷生成动力学  90-100
  5.4 几种典型煤样的氢气逸出特征及动力学  100-111
    5.4.1 氢气逸出规律  100-103
    5.4.2 氢气生成动力学  103-111
  5.5 本章小结  111-113
第六章煤热解过程中甲烷、氢气的生成机理  113-120
  6.1 热解甲烷反应类型和特征分析  113-117
    6.1.1 热解甲烷和甲基生成反应类型分析  113-115
    6.1.2 几种典型煤样的甲烷逸出曲线特征  115-116
    6.1.3 热解过程中甲烷的生成机制  116-117
  6.2 热解过程中氢气的形成机制  117-118
    6.2.1 热解氢气生成反应类型  117
    6.2.2 热解氢气的反应机制  117-118
    6.2.3 各反应类型对氢气生成量的贡献  118
  6.3 煤热解生成甲烷、氢气的异同及原因  118-119
    6.3.1 生成甲烷、氢气的的不同处  118-119
    6.3.2 生成甲烷、氢气的的相同处  119
  6.4 本章小结  119-120
第七章结论  120-124
参考文献  124-128
致谢  128

低中变质程度煤的结构特征及热解过程中甲烷、氢气的生成机理

内容摘要

全文目录

相似论文