低阶煤着火的表面化学研究

Coal is the dominate primary energy resource of China, the low rank coal (LRC) is becoming the major player as the bituminous coal and anthracite reverse is declining. However, the fundamental understanding of the LRC surface property is lack, resulting many issues in industrial use of LRC, such as frequent spontaneous combustion. Our latest research showed that the traditional combustion theory is limited in explaining LRC ignition, that is the ignition is the in-situ oxidation of the high-reactivation substance that occurs over LRC surface, rather than the oxidation of the volatile releasing from coal. What is the high-activity matter over the surface? What kind of chemical structure lead to high-activity? What does happen at the moment of ignition? Therefore, the proposal proposed to study the internal relations between ignition behavior and coal surface property, and then build up the surface coal structure based on above results, so the special ignition mechanism could be revealed. On top of these, the prediction model of ignition and the theoretical basis could be developed.

煤炭是中国能源的主要来源，随着优质资源的不断匮乏，低阶煤（LRC）从未像现在占有如此重要的地位。然而，由于对LRC的表面基础性质认识尚存在不足，造成其在实践应用中出现诸如自燃等问题。我们最新的研究发现传统的着火理论对于LRC有很大的局限性：即LRC的着火可能是由赋存在其表面且活性极高的物质被原位点燃的结果，而不是传统的挥发物溢出表面被点燃的过程。那么，这些赋存于煤炭表面且活性极高的物质到底是什么？哪些独特的化学结构导致其极高的燃烧活性？着火那一刻化学反应机理又是什么？本项目提出从研究LRC表面的物理化学性质与着火特性的内在关联出发，构建表面煤结构，从化学上揭示LRC独特的着火机理。在此基础上发展适合LRC的着火特性预测模型以及适合LRC自燃倾向分类新理论依据。一方面可完善煤化学知识，另一方面可为LRC的清洁高效可持续开发利用提供有价值的指导。

1、研究背景. 低阶煤（LRC）由于其储量巨大，在能源使用中的地位越加重要。传统理论对LRC燃烧特性的认识不足，无法解释其着火的独特现象，造成其在开采、运输和应用中的诸多问题，必须从煤表面分子结构的角度出发揭示其着火机理。.2、主要研究内容. (1)选择代表性的LRC煤种（包括：褐煤、长焰煤、不粘煤），同时具有地域（内蒙、陕西、山西）的代表性和化学成份（灰分、挥发分、水分）的代表性。. (2)针对所选原煤的性质进行表征，包括基本的工业分析、元素分析、灰成分分析等。. (3)以热重仪作为表征手段，提出针对低阶煤特性的着火温度确定方法，优化低阶煤着火温度测定条件。. (4)利用热解、抽提、萃取等手段对原料煤的表面物理化学性质进行表征。. (5)通过数据关联，建立LRC着火燃烧特性预测模型，并提出LRC表面非均相燃烧机理。. (6)研究低阶煤表面官能团变化趋势，结合官能团反应放热，厘清自燃前不同温度阶段的主要反应，从表面化学变化的角度进一步揭示低阶煤自燃机理。.3、重要结果. (1)提出一种针对低阶煤特性的着火温度确定方法。. (2)建立了与低阶煤工业分析数据相关联的着火点预测模型。. (3)提出低阶煤表面非均相燃烧机理。. (4)揭示低阶煤着火前羧基羟基及烷基侧链之间的变化关联。. (5)厘清低阶煤着火前各温度段的主要反应。. 4、关键数据. (1)不同类型不同地域的低阶煤工业分析及元素分析、燃烧倾向。. (2)低阶煤热重方法确定着火点的最优测试条件。. (3)低阶煤着火前各温度段反应的反应焓及活化能。. 5、科学意义. 本项目将低阶煤的表面特征作为重要研究对象，从认识LRC表面分子结构等科学问题出发，结合LRC的物理结构、所处的环境、受热的条件等探索LRC特有着火机理，并建立适合LRC着火行为的表征方法、评价LRC自燃倾向的新规范、着火点预测模型等，对指导LRC的清洁利用具有重要意义。