新疆准东高Na煤中Na的化学形态及其在热解过程中迁移转化机制

High Na concentration in coal from Zhundong coalfield is a big problem for the large-scale, high efficent and clean untilization.In this project, based on the investigation of Na chemical forms in coal and its transformation characteristics and mechanism,the molecular mechanism for interaction of Na in different chemical forms with coal macromolecular and catalysis effect of Na on coal pyrolysis will be studied. In this project we mainly focuses on investigation of Na chemical forms and their tranformation characteristics and mechanism in coal pyrolysis of natural series and man-made series of coal samples by XAFS and other analytical techniques, the interaction of Na and coal macromolecular structure, Na catalysis on coal pyrolysis by the combination of experimental and molecular simulation. The predicting results including Na chemical forms and their distribution in coal beds, the mechanism of Na tranformation during coal pyrolysis, catalysis of Na and other ions on coal pyrolysis will become the fundamental of high efficient and clean utilization and development of new conversion technique of Zhundong coal.The innovation of this program is that through understanding the relationship of product generation and Na chemical forms by combination of experimental and molecular simulation, new approach and technique for Na-rich coal will be explored.

准东煤田煤中高的Na含量已成为当前制约其大规模、高效洁净利用的首要问题。本项目以准东高Na煤为研究对象，以煤中Na 的化学形态及其在热转化过程中的迁移转化特征与机制为基础，分析不同形态Na与煤大分子结构相互作用机制，进而分析Na在煤热转化过程中催化效应。主要研究内容与方法为：应用X 射线吸收精细结构谱等多种技术对准东自然系列与人工模拟煤样中Na 的化学形态及其在热解过程中的迁移转化特征与机制，实验与分子模拟相结合的方法对Na 与煤结构的相互作用及Na 等金属离子的热解催化机制进行模拟。主要预期成果Na 及其化学形态在煤层中的分布、Na 化学形态在煤热转化过程中的迁移转化机制及Na 与其它碱、碱土金属离子的催化效应等将对准东煤的合理利用及新工艺开发提供科学基础。主要特色与创新在于实验与分子模拟相结合，了解产物的生成与Na形态之间的关系，进而探索高Na煤的新的转化途径与工艺。

准东煤田煤中高Na含量成为制约当前煤高效洁净利用的关键因素。本项目以新疆准东煤田黑山头矿区侏罗纪西山窑组7、8号煤层为研究对象，在野外调查、钻孔资料收集的基础上，采用矿物学、地球化学、煤田地质学的理论与方法对准东高钠煤形成的地质、地球化学条件、Na在煤中的赋存状态及在煤层中的分布特征、控制因素、热解过程中煤中Na的迁移转化规律与催化效应进行了系统的研究。研究结果表明：1）在矿区范围内自东向西、自北至南煤中Na含量降低，这与东部地形高，为各类岩浆岩风化剥蚀区相一致，推测煤中Na主要为地表水流所携带的岩浆岩风化产物进入煤层所致，随煤层埋藏深度的分析表明在煤系地层裸露区，随埋深增大Na含量降低，而在有第四系沉积物覆盖区，则随埋深增大而增高，进一步说明水文地质条件、煤层构造形态控制着煤中Na的含量与展布特征；2）通过23Na-NMR、ICP-MS、XPS对脱矿物质前后的煤中Na的形态及含量分析，发现煤中Na主要以孔隙水中的水溶性NaCl及与煤中含氧官能团形成有机络合物的Na两种形态为主，脱矿物过程能将煤中水溶性Na脱除，而有机络合态Na不易脱除，煤层自上而下水溶性Na减少，煤田范围内煤中Na与水分成正相关，而与挥发分成负相关，进一步说明煤中Na主要是地表水中的Na离子渗流至煤层所致；3）通过TG-MS分析，发现煤中有机络合物态Na对煤热解具有催化效应，显著降低煤热解最大失重速率峰、甲烷、氢气生成等的温度，提高热解转化率及甲烷、氢气的生成量，而水溶态NaCl则不具有催化效应。项目共发表论文5篇，培养博士研究生1名、硕士研究生1名。本项目所取得的成果为准东煤田煤中Na分布的预测提供了地质依据，为煤的热解利用提供了新的思路。