煤显微组分热解甲烷、氢气生成动力学及机理

【摘要】：从煤岩学观点来说，煤是由多种煤岩显微组分组成，各种煤岩组分的热解行为存在较大的差别。由于煤岩显微组分中，镜质组和惰质组为主要显微组分，所占比例很大，研究其结构和热解反应性具有重要意义。 煤热解气中最主要的气体组分为CO_2，其次为H_2，再次为甲烷与饱和烃，而烯烃和CO含量都很低。而气态烃中以甲烷为其主成分。并且甲烷和氢气的生成贯穿煤热解的整个过程，研究其逸出特征及动力学特征，是研究煤的结构及确定煤结构单元中活性较高位置的重要手段。 本文选用煤阶差别不大，但由于形成的环境不同导致两种煤的反应性存在较大差别的平朔煤和神东煤为研究对象，对各种煤中的惰质组和镜质组两种显微组分进行研究。用XPS、XRD、FTIR等仪器分析方法揭示显微组分的结构特征。通过各显微煤样的TG-MS热解实验，重点研究了甲烷及氢气的逸出特征。对甲烷及氢气的热解速率曲线进行分峰模拟，将热解甲烷及氢气的各基元反应解叠出来，对其进行动力学计算。将煤结构与动力学特征相结合，分析了甲烷和氢气的生成机理。 XPS研究结果表明，平朔煤显微组分中C-C或C-H含量均较神东煤同类型的显微组分高，相应地碳氧基团含量相对较低。含氧有机官能团中酚羟基所占比例最大，其次为羧基和羰基。神东惰质组含有较多的羧基，表明其氧化程度较大。神东惰质组吸附氧的性能较高，自燃性较强。吡啶型氮和吡咯型氮是含氮有机官能团的主要存在形式；平朔煤显微组分含较多吡啶型氮，而神东煤同类型显微组分则含较多的吡咯型氮。在含硫官能团中，噻吩型硫占大多数，其次为硫醇、硫醚型硫。神东惰质组噻吩型硫含量低于平朔惰质组，而含有一定量的氧化物硫。 【关键词】：煤显微组分 热解 甲烷 氢气 生成动力学 反应机理
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TQ531
【目录】：

• 第一章 绪论11-18
• 1.1 研究甲烷、氢气的热解机理对煤热解研究的作用11-12
• 1.2 研究煤显微组分热解性质的重要意义12-13
• 1.3 热解甲烷、氢气的动力学特征及热解机理的研究现状13-17
• 1.3.1 热解甲烷、氢气的动力学特征13-14
• 1.3.2 甲烷、氢气热解机理的研究现状14-17
• 1.4 本论文的研究内容17-18
• 第二章 煤样的显微煤岩特征18-29
• 2.1 煤的显微组成18-21
• 2.1.1 镜质组20
• 2.1.2 壳质组20
• 2.1.3 惰质组20-21
• 2.2 煤样选取及煤样显微煤岩特征21-29
• 2.2.1 煤样选取21
• 2.2.2 原煤煤样的显微煤岩特征21-29
• 2.2.2.1 神东煤显微煤岩特征21-25
• 2.2.2.2 平朔煤显微煤岩特征25-29
• 第三章 样品准备和实验方法29-33
• 3.1 实验煤样29
• 3.2 镜质组反射率的测定29-30
• 3.3 实验方法30-33
• 3.3.1 煤结构的分析30-32
• 3.3.1.1 X射线光电子能谱(XPS)30-31
• 3.3.1.2 X射线衍射法(XRD)31
• 3.3.1.3 傅立叶变换红外光谱(FTIR)31-32
• 3.3.2 煤热解实验方法(TG-MS)32-33
• 第四章 煤显微组分的结构特征33-59
• 4.1 显微组分组表面结构的XPS表征33-41
• 4.1.1 实验部分33
• 4.1.1.1 样品及处理33
• 4.1.1.2 实验设备及数据处理方法33
• 4.1.2 结果分析与讨论33-40
• 4.1.2.1 煤表面结构中碳的赋存形态33-35
• 4.1.2.2 煤表面结构中氧的赋存形态35-37
• 4.1.2.3 煤表面结构中氮的赋存形态37-39
• 4.1.2.4 煤表面结构中硫的赋存形态39-40
• 4.1.3 小结40-41
• 4.2 X射线衍射分析41-47
• 4.2.1 实验部分41-42
• 4.2.2 结果与讨论42-46
• 4.2.2.1 XRD衍射峰归属42
• 4.2.2.2 XRD谱图的定性分析42-43
• 4.2.2.3 计算煤的XRD结构参数43-46
• 4.2.2.4 无定形碳含量的对比分析46
• 4.2.3 小结46-47
• 4.3 傅立叶变换红外光谱分析47-59
• 4.3.1 FTIR光谱分析47
• 4.3.2 结果与讨论47-59
• 4.3.2.1 显微组分FTIR谱图峰位归属48-56
• 4.3.2.2 显微组分的FTIR结构参数56-59
• 第五章 煤显微组分的基本热解特征59-69
• 5.1 实验部分59
• 5.1.1 煤样59
• 5.1.2 TG-MS实验59
• 5.2 结果与讨论59-69
• 5.2.1 热失重分析59-62
• 5.2.2 热解过程中挥发分逸出规律62-69
• 5.2.2.1 轻质碳氢化合物(C_1~C_4)的逸出规律62-64
• 5.2.2.2 轻质芳香烃化合物苯(C_6H_6)及H_2的逸出规律64-66
• 5.2.2.3 含氧化合物的逸出规律66-69
• 第六章 煤显微组分甲烷、氢气生成特征及动力学69-79
• 6.1 数据处理方法69-70
• 6.1.1 甲烷及甲基自由基生成速率曲线的拟合69-70
• 6.1.2 甲烷、氢气的生成动力学70
• 6.2 甲烷、氢气的逸出特征70-72
• 6.2.1 甲烷的逸出特征70-72
• 6.2.2 氢气的逸出特征72
• 6.3 煤热解甲烷、甲基及氢气生成反应的确定及其动力学参数72-78
• 6.3.1 煤热解甲烷及甲基生成反应的确定及其动力学参数72-74
• 6.3.2 煤热解氢气生成反应的确定及其动力学参数74-78
• 6.4 本章小结78-79
• 第七章 煤显微组分甲烷、氢气生成机理79-87
• 7.1 各反应类型对热解甲基、甲烷生成量的贡献及反应类型分析79-84
• 7.1.1 各反应类型对甲烷及甲基生成量的贡献79
• 7.1.2 甲基自由基及热解甲烷生成反应类型分析79-84
• 7.2 各反应类型对热解氢气生成量的贡献及反应类型分析84-85
• 7.2.1 各反应类型对氢气生成量的贡献84
• 7.2.2 热解氢气生成反应类型分析84-85
• 7.3 本章小结85-87
• 第八章 结论87-89
• 参考文献89-93
• 致谢93-94
• 攻读学位期间发表的学术论文94

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