屯兰8号煤大分子结构模型及其热解过程中氢气与甲烷生成动力学

煤炭是我国在未来相当长时间内无法完全替代的化石能源之一，控制和减轻煤利用过程中对环境造成的不利影响是我国可持续发展的需要，煤的高效、洁净转化是实现这一需要的重要途径，其中煤的热解成为煤转化利用的研究热点。 煤的热解与煤的组成和结构关系密切，因此在研究煤热解过程、氢气与甲烷的生成动力学特征时可先通过物理化学方法表征煤的分子结构，为煤热解及气态产物生成动力学提供理论基础。本文依托太原西山煤田屯兰矿区8号煤样，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）解析表明氧的赋存形态以醚、酚、羰基为主，脂肪链以亚甲基、次甲基为主；高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）显示芳香基团以小于4×4的结构为主；X射线光电子能谱（XPS）分析表明硫的赋存形态以烷基型和噻吩型为主，氮以吡啶型和吡咯型为主，氧以C=O和C-O为主；核磁共振碳谱（13C-NMR）揭示碳骨架主要由脂碳区、芳碳区和羰基区三部分组成。以上述实验结果为基础，结合ACD/ChemSket软件构建了煤样分子结构模型。 通过Materials Studio软件，应用分子力学和分子动力学方法，对结构模型进行能量最小化模拟得到最稳定构型。应用量子化学方法对键长、键级和电荷布居数进行计算，并对振动频率进行分析，充分验证了所构建的结构模型基本能够代表研究煤样分子的真实结构。 基于热重-质谱实验（TG-MS）研究了10、20、40℃·min-1三种升温速率下煤样的热解特征及主要气态产物的生成特征，采用分布活化能模型（DAEM）分析了热解过程中氢气与甲烷的生成反应机制。结果表明：（1）热解过程活化能E整体的趋势随着转化率V/V*的升高而增大，具有明显的阶段性。活化能分布函数f (E)表现出阶段性集中分布的特征，且具有一定的对称性。根据转化率、活化能及活化能分布函数的关系，结合热失重特征，热解过程可划分为5个阶段，并对各阶段的化学反应进行了讨论。（2）热解氢气和甲烷生成活化能E的整体趋势随着转化率V/V*的升高而增大，活化能分布函数f (E)表现出一定的阶段性集中分布特征。根据其生成动力学特征，将氢气和甲烷的生成过程分别划分为5个和3个阶段，每个阶段反映了不同的化学反应机制。