煤干馏制备半焦和焦炭过程的同步辐射SAXS/WAXS原位研究

Coal is important energy and chemical raw materials. Coal carbonization is one of the main processes in the comprehensive utilization of coal. In this proposal, coal in different rank will be carbonized to prepare carbocoal and coke under different temperature programming and control conditions (From room temperature to 1200°C). The whole carbonization process will be probed jointly by in-situ synchrotron small angle and wide angle X-ray scattering with a high beam intensity and high collimation to gain simultaneously the multi-scale microstructure information of carbon network structure from atom, molecular and nanometer scale. This structure information will provide a reference for exploring the structural characteristics of carbon network in coal and its change mechanism.

煤是重要的能源和化工原料。煤干馏是煤综合利用中主要的工艺之一。本项目拟利用同步辐射光源，通过程序升温和控温开展不同煤阶煤干馏制备半焦和焦炭过程的试验（从室温至1200°C），进行SAXS/WAXS同时原位测量，跟踪煤干馏试验整个过程，以期获得煤中碳网络在原子分子尺度和在纳米尺度上的结构同时变化的信息，为探索煤中碳网络结构特征与变化的机理提供参考。

煤是重要的能源和化工原料。它是由多种结构形式的有机物，与少量种类不同的无机物组成的混合物，没有单一的分子结构。煤中有机质元素主要是碳，其次是氢，还有氧、氮和硫等元素。它们以结构十分复杂的大分子形式存在，这些煤的有机质大分子是由许多结构相似的单元所组成；单元的核心是缩合程度不同的芳环，还有一些脂肪环和杂环，环间由氧桥或次甲基桥连接而形成大分子；环上侧链有烷基、羟基、羧基或甲氧基等，从而形成三维网络型的大分子结构。煤化程度赿高，芳环综合程度赿高，类石墨微晶赿完整赿大。孔隙结构是煤的物理结构的主要部分。在煤的生成过程中，煤的碳网络结构内部形成了极微细的毛细管和孔隙，具有复杂而发达的内部结构。煤干馏是煤综合利用中主要的工艺之一。研究煤干馏过程对于加强煤的综合利用和环境保护无疑具有重要的科学意义和重大的实际价值。伴随煤干馏的工业化，煤干馏的科学研究也由来已久。但由于煤结构及其热解过程的复杂性和多样性，关于煤干馏过程中煤结构特别是碳网络结构的变化特征与机理的认识还不统一、不甚清楚，有待进一步深入研究。新型同步辐射X射线散射方法为煤炭科学的研究提供了一种有力的表征手段。SAXS可测量煤、半焦和焦炭的孔隙结构包括比表面、孔隙率、分形维数、孔尺寸及其分布等，还可以判断煤、半焦和焦炭中电子密度的不均匀性。WAXS则可以测量煤和碳的类石墨微晶结构参数包括面间距、层片直径和堆积高度。本项目的研究有利于发展、完善煤干馏的工艺、理论及表征技术，同时也利于促进同步辐射X射线散射先进技术在煤科学领域中的应用。通过本项目的实施，发展了绝对散射强度测量方法及相应的数据处理程序，实现了北京同步辐射装置小角散射仪器的精确标定以及与质量和密度相关的物理量的计算。开发了同步辐射SAXS/WAXS/高温加热原位测量平台，研究了三种不同煤化程度煤（褐煤、烟煤和无烟煤）的干馏过程中的结构变化。结果表明随温度变化，样品结构变化呈现明显的阶段性，不同煤炭的转折点温度不同。详细分析了不同阶段结构变化特征。