不同镜惰比低阶煤的结构特征及其热解行为

热解是煤液化、气化等洁净煤技术的基础,尤其是对于低阶煤的利用上。为进一步研究低阶煤的热解特征,以一系列不同镜惰比赵家庄(ZJZ)、马蹄罕(MTH)、豆塔(DT)煤(V/I分别为0.1、0.76、1.76)为研究对象,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)与X射线衍射(XRD)技术分析样品的化学结构;通过热重−质谱(TG-MS)联用技术,检查了样品在30~900℃的热解过程及其气体逸出行为。结果表明:不同镜惰比低阶煤中的化学结构含量有较大差异,与富惰质组ZJZ煤相比,富镜质组煤有着相对丰富的脂肪族结构,长脂肪侧链,以及含氧官能团,尤其DT煤中含有丰富的C-O。相应的芳香结构含量随着镜惰比增加而减少。同时,随着煤中镜惰比增加,芳香层片间距d_(002)、横向延展度与纵向堆砌高度之比(L_(a)/L_(c))增大,芳香层堆砌高度L_(c)、芳香层尺寸L_(a)以及堆砌层数N减小。DT、MTH、ZJZ煤在热解中失重量依次为36.4%、32.2%、28.9%,随着镜惰比降低,最终热解气态产物产率以及最大热解速率相应降低。在热解过程中有H_(2)、H_(2)O、CH_(4)、CO、CO_(2)等小分子物质释放;此外,释放气体含量与显微组分息息相关,富惰质组煤产生的小分子物质量少于镜质组较多的煤。由于镜质组中含有较多的脂肪侧链结构,芳香层之间的缩聚能力较强,热分解过程中容易形成自由基再结合生成气体。

不同镜惰比低阶煤燃烧特性及动力学分析

为解释显微组分对低阶煤燃烧特性的影响,以一系列不同镜惰比低阶煤为研究对象,利用热重−质谱−差热(TG-MS-DTA)联用技术,研究了样品在空气气氛下的燃烧特性、热量变化过程以及气体逸出行为。结果表明:煤的显微组分含量对煤燃烧达到最大反应速率时的温度影响不大,但对反应最大速率的大小有影响,富惰质组煤燃烧的反应最大速率更大。同时,煤中较多矿物使得反应达到最大速率时温度更高。燃烧过程呈现出明显的两个阶段,第一阶段(400℃之前)缓慢放热,对应脱挥发分过程,第二阶段(400℃之后)快速放热,对应固定碳燃烧过程,燃烧放热特征呈现出缓慢到快速放热的转变。不同镜惰比煤在燃烧过程中主要释放CO_(2)、CO、H2O等气体,但释放的相对含量不同,脱挥发分阶段,有较少的CO_(2)、CO气体释放,H2O的释放相对量较多。而在固定碳燃烧阶段,CO_(2)大量释放,CO释放量略低,H2O最少。其中,富惰质组煤在燃烧过程中释放相对更多的CO_(2),在相同条件下,燃烧更加充分。此外,还借助Coats-Redfern积分法对煤燃烧过程进行动力学计算,得到随着镜惰比含量减小,反应活化能增加的趋势,但这并不影响富惰质组煤在固定碳燃烧阶段能快速燃烧的特性,这可能是由于惰质组中大量丝质体形成的细胞胞腔结构,增大了与O_(2)的接触面积,燃烧反应充分。