蒙东褐煤焦微结构转化特性解析及Ca对其热化学反应的催化作用机理

Ca presented significant catalytic effect on Mengdong lignite during thermal chemical reaction. The catalytic mechanism has important theoretical significance. During thermal chemical reaction process, three-dimensional network of macromolecules of Mengdong lignite continuously dissociated and recombinated. In addition to generating volatile gases and light hydrocarbons components, series of microstructure component are formed. The presence of Ca and other metal components make the low molecular structural fragment with highly reactive easy to generate, meanwhile the formed microstructure component also has a higher reactivity, which played a catalytic role for its overall chemical reaction. The project integrated use of FTIR, XRD, HRTEM, SEM, XPS, 13C NMR, EELS and NEXAFS/XANES to characterize the microstructure of the residual char. Details macromolecular microstructure (functional group, crystallization, morphology and bond characteristics) transformation of the residual cahr will be get during coal chemical reaction process. The combination between metal components and lignite matrix and their microstructure variation will be analysis during chemical reactions process. The evolution and transformation behaviors of char primitive microstructure(components and textures) will be resolved and determined. The basical microstructures foundation of char offering catalytic effect during thermo reaction will be uncovered, which used to establish the catalytic mechanism model. The theoretical discovery of this project will provide a theoretical basis and technical support for the development and utilization of Mengdong lignite.

Ca对蒙东褐煤热化学反应表现出显著的催化效应，揭示其催化机理具有重要理论意义。化学反应过程中，蒙东褐煤大分子立体网状结构解离与重组交织进行，在生成挥发性气体及轻组分烃类的同时，连续变化而形成系列微结构组元。Ca等金属组分使蒙东褐煤易生成反应性高的低分子结构碎片单元，同时所形成的微结构组元也更具反应性，从而在整体化学反应中显示了催化作用。本项目综合运用FTIR、XRD、HRTEM、SEM、XPS、13C NMR、EELS和NEXAFS/XANES等表征技术，研究热化学反应过程煤焦微结构，获得其大分子微结构(官能团、结晶、形貌和键合等)的各种详细信息，分析蒙东褐煤与金属成分的结合形态(组成/结构)及其在热化学反应过程微结构变化规律，解析并确定煤焦基元微结构(组成/织构)的转化演变历程及其规律，揭示其催化效应的煤焦基元微结构基础，建立其催化作用机理模型，为蒙东褐煤高效低碳开发利用奠定理论基础。

基于蒙东褐煤的固有结构特性，本项目针对褐煤在热化学反应过程中结构转化特性及规律进行了系统研究，首次提出了利用氧化石墨/石墨作为褐煤/褐煤焦的模型物用于褐煤的研究，确定了Ca在褐煤气化过程中的主要反应转化特性，解析了蒙东褐煤焦微结构转化特性，确定褐煤反应性与热化学反应过程基元微晶结构转化之间的关系，并剖析了Ca对其热化学反应的催化作用机理。. 热化学反应过程中，由于褐煤中较高含氧官能团的存在，其转化特性除决定于其本身固有的有机结构外，还与金属组分的作用密切相关。金属组分的存在，使褐煤中有机结构的转化历程发生根本性改变，即由“有机质转化过程为主导的转变过程”转化为“金属-有机质结构体转变过程为主导的转化过程”，具体表现为：金属组分与含氧有机结构形成有机金属盐类结构“Me-Organic Complex”，“有机质转化过程”转化为“类有机金属盐热转变过程”。褐煤等低阶煤热转化过程的这一特性，决定了其许多化学反应性能，对其燃烧和气化反应产生了巨大的影响！褐煤气化过程中Ca的催化效果与其有机结构密切相关，正是有机结构与Ca相互作用形成的“Ca-Organic Complex”结构，使褐煤成焦过程有更多结构空位缺陷和无定型碳结构的形成，降低了褐煤焦的芳香度，致使其热化学反应温度显著降低，气化反应性大幅度提高，使其通过水蒸气气化所制备合成气中H2/CO比例大幅度提高，即更有利于富氢合成气的生成。. 本项目所揭示褐煤制高氢合成气过程中钙显著的催化作用机理：钙与煤中含氧结构相互作用所形成催化活性中心的结构特性，即煤中含氧结构与Ca组分形成的“Ca- Organic Complex”结构及其热转化过程所形成的活性结构体，对褐煤气化反应起到了关键的催化作用，从而确保钙对褐煤等低阶煤热解气化过程具有显著的催化作用，可以大幅度降低气化反应温度，为利用褐煤等低阶煤中低温气化制高氢合成气提供了理论依据与技术支持。