中煤级煤聚集态结构的演化特征及其机制

The significant changes in physical and chemical properties results from second coalification jump, indicative of the composition and structure of coal is also changed in this stage. Regardless, the evolution characteristics and mechanism, until now, is unclear. The physical and chemical nature of the second coalification jump, in this work, will be studied based on analyzing the composition and molecular structure of medium rank coals, combined with discussing the evolution and mechanism of the aggregate structure. The compositional and structural evolution characteristics of medium rank coals and the formation process of aggregate structure associated with intermolecular interaction will be discussed. In this work, the medium rank coal will be used. The relations between intermolecular interaction and the formation of aggregate structure were discussed by studying the molecular structural characteristics of coals and its extracts using both experimental and molecular simulation. The models of the molecular and aggregate structure of coals and its extracts will be constructed. The inherent relation between the evolutional mechanism of the aggregate structure and the second coalification jump will be studied, which can provide basal theory for an effective and clean utilization of coal.

第二次煤化作用跃变导致了煤物理化学性质的转折性变化，这意味着煤的组成与结构在第二次煤化作用跃变附近发生了重大的变化，但目前为止，对其演化特征及其机制仍然缺乏深入系统的理解。本项目拟以中煤级煤的组成与分子结构分析为基础，以聚集态结构演化及其形成机制为突破口，剖析中煤级煤组成、结构的演化特征以及煤中不同化学组成通过分子间相互作用形成的聚集态结构的过程与特征，从而揭示第二次煤化作用跃变的物理化学实质。项目的主要研究方法为以中煤级煤为研究对象，通过实验与分子模拟相结合的方法，研究煤及抽提产物的分子结构特征，探讨分子间相互作用与聚集态结构形成的关系；建立煤、抽提产物的分子结构模型和聚集态结构模型；剖析煤聚集态结构的形成演化机制与第二次煤化跃变的内在关系，从而为煤的高效清洁利用提供基础理论。

选择不同煤级煤及其不同化学组分为研究对象，对各原煤及其不同化学组分进行详细的分子结构及聚集态结构表征，研究中煤级煤聚集态结构的演化特征及其机制。取得主要成果如下：.1. 对伊敏煤、柳林3#煤进行脱灰及吡啶抽提并对产物进行了FTIR表征，发现脱灰煤具有良好的生烃潜力，抽提物中含有的芳环较少且以多取代的单环形式存在，含氧官能团及短链脂肪结构较多，而羟基-π氢键较少； .2. 对伊敏煤及其不同化学组分的TG/MS分析显示，不同化学组分之间存在着相互作用，煤中矿物质对H2及烷烃类物质的生成具有促进作用，对CO2的生成具有抑制作用; 腐植酸的存在抑制了H2、CH4的生成，促进C2H6的生成及稳定含氧官能团裂解生成CO2; 沥青质是生烃的主体，它的存在促进含氧官能团脱除生成CO2，抑制了C2H6逸出；.3. 对八个中煤级煤进行了核磁共振、红外光谱及拉曼光谱表征，发现随着煤级的增加，参数（A（CH2）/A（CH3）、A(GR+VR+VL)/AD）在反射率1.32%附近达到极值，证明第二次跃变附近结构发生了突变，并得出可能是形成了脂肪环结构的原因；.4. 对曹村2号煤进行了HRTEM实验，发现存在三种不同类型的聚集态结构区域，具有一致取向的条纹区域中，其单个晶格条纹表现出较大的弯曲，类似环状的条纹区域，玫瑰图表现出“十字型”的特点，而取向杂乱的条纹，却表现出单个条纹较好的线性度。3者条纹呈现较为一致的长度分布，且3者均发育微孔，取向一致的条纹区域存在更多的小孔；.5. HRTEM及原位拉曼光谱结果表明，热解过程中聚集态结构参数均随温度增加表现出阶段性的变化特征，并与热解产物的生成密切相关；.6. 构建了柳林4#、杜儿坪2#、屯兰2#、伊敏煤及其不同化学组分的结构模型，并分别对其进行了分子模拟，得到能量最优模型，发现d002在第二次煤化作用跃变点附近最小；.7. 得出煤中聚集态结构形成机制、演化特征及第二次煤化作用跃变的发生机制，聚集态结构是不同的芳香结构、脂肪结构及大分子团、分子团内部的缺陷、孔隙等相互作用而形成，反映了煤结构演化的不均一性和复杂性。