三塘湖煤煤樣分析研究

蘭文蘭 白素麗 張偉(哈密職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 哈密 839000)

0 引言

我國煤炭資源豐富[1]，如何高效的利用煤炭一直是一個(gè)備受關(guān)注的研究課題。氣化和熱解是比較成熟的煤炭利用工藝[2-6]。文章以新疆三塘湖的煤樣開展實(shí)驗(yàn)研究，旨在研究煤的熱解反應(yīng)性，根據(jù)煤樣的特點(diǎn)優(yōu)化反應(yīng)路線，使煤高效利用，增加經(jīng)濟(jì)效益。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 煤樣采集制備

在此次試驗(yàn)之前，主要從新疆三塘湖獲取煤樣，在這一過程中，不僅要遵循GB/T 475—1996《商品煤樣采取方法》的標(biāo)準(zhǔn)，也要符合GB/T 474—2008 中的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 儀器與試劑

主要應(yīng)用到了以下儀器，如表1。

主要應(yīng)用了以下試劑，如表2。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器

表2 實(shí)驗(yàn)試劑

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 元素分析和工業(yè)分析

通過分析煤樣的元素組成可知，主要包括以下幾種元素： Cad、Had、Oad、Nad、St,ad所 占 比 重 依 次 為 51.250%、4.071%、43.594%、0.631%、0.454%；工業(yè)分析結(jié)果： Mad、Aad、Vad、FCad、Vdaf分別為 11.755%、13.405%、34.405%、40.435%、41.095%。所以，所用煤主要有以下特點(diǎn)：具有較高的水分含量；具有較高的灰分含量，揮發(fā)份很多，但是只有很少的固定碳。由此可知，在煤炭中，含氧基團(tuán)所占比重較大，但是含氮基團(tuán)所占比重很小、且有很少量的硫分。由此可初步判斷該煤樣為變質(zhì)程度低的褐煤，發(fā)熱量較低。

2.2 FTIR分析

如圖1，為煤樣的紅外光譜圖。通過分析得知：在 4000～400cm-1區(qū)間中，煤樣共有 6 個(gè)明顯的吸收峰：波數(shù)為 467cm-1處吸收峰對(duì)應(yīng)的管能團(tuán)應(yīng)為有機(jī)鹵化物與碳的伸縮吸收。在波數(shù) 537cm-1的位置，吸收峰對(duì)應(yīng)著脂肪醛這一官能團(tuán)。在波數(shù) 775cm-1的位置，吸收峰對(duì)應(yīng)著烯烴類這一官能團(tuán)，在波數(shù)1378cm-1的位置，對(duì)應(yīng)著NO2鍵；在波數(shù)1581cm-1的位置，對(duì)應(yīng)著不定 N=N—；在波數(shù) 3356cm-1的位置，對(duì)應(yīng)著游離 OH 這一官能團(tuán)，采用的是伸縮振動(dòng)的方式。由以上數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)論：該煤樣中含有較多的有機(jī)鹵化物、脂肪醛、烯烴、—NO2鍵、不定—N=N 鍵、游離羥基、 醚鍵等。說明該煤樣的結(jié)構(gòu)是以芳香環(huán)為主的密集大分子結(jié)構(gòu)，煤階較低。

圖1 煤樣的FTIR圖

2.3 灰分的XRD分析

煤樣灰分的XRD 圖見圖2 。由圖2 可見，煤樣灰分包含以下幾種成分，例如，SiO2、CaO 、Fe2O3等等。當(dāng)2θ 分別為 12.1°、23.4°、25.8°、33.6°時(shí)，存在SiO2的衍射峰，由此可知，區(qū)中含有較多的SiO2，且在 25.8°位置，衍射峰屬于最高峰，表明它缺乏較高的晶體化水平。由此可知煤樣中含有較多的硅酸鹽化合物。在 2θ 為 21.3°、24.2°、32.20°處出現(xiàn) CaSiO3對(duì)應(yīng)的衍射峰且峰數(shù)量較多，說明樣品中CaSiO3的含量較高且結(jié)晶性較好。在2θ 為 27.6°、32.1°、37.2°、46.8 處出現(xiàn)CaO 對(duì)應(yīng)的衍射峰并且峰形較寬，說明樣品中CaO 的含量較高。在 2θ 為39.2°、50.1°的位置，F(xiàn)e2O3的衍射峰很低，由此可知，其中缺乏較高的Fe2O3含量，并且缺乏較高的結(jié)晶性。

圖2 煤樣灰分的XRD圖

2.4 TG-DTG結(jié)果

如圖3 為煤樣的TG-DTG 曲線。通過分析上圖可知，在煤樣熱失重過程中，主要經(jīng)歷以下四個(gè)階段：當(dāng)溫度不超過180℃時(shí)，質(zhì)量減小的很快，在這一階段中，外在水分蒸發(fā)很快，且脫除掉大量的吸附氣體，失重率大約為 12%；這說明煤中水分含量多，與工業(yè)分析數(shù)據(jù)相符；在 180～350℃溫度范圍內(nèi)，質(zhì)量降低較慢，這一階段的失重率 8%，此階段主要是煤的揮發(fā)分脫出，放出的氣體主要是 CO2、CH4、N2等；當(dāng)溫度介于350～700℃時(shí)，樣品質(zhì)量減小的很快，在400℃時(shí)，具有最大的失重速率，正經(jīng)歷強(qiáng)烈熱解階段，此時(shí)屬于失重階段，失重率大約為 22% ，在這一過程中，發(fā)生了解聚反應(yīng)，得到了焦油等物質(zhì)，且最終煤成為半焦?fàn)顟B(tài)；當(dāng)溫度超過700℃時(shí)，其質(zhì)量變得越來越差，此時(shí)主要發(fā)生的是半焦的縮聚反應(yīng)，幾乎不產(chǎn)生焦油，對(duì)應(yīng)失重 10%；在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程室溫～1000℃溫度范圍內(nèi)，樣品總失重約 52%。

圖3 煤的TG-DTG圖

3 結(jié)語

(1)煤樣粘結(jié)性較強(qiáng)，含碳量與發(fā)熱量不是很高，煤樣中含有較多有機(jī)鹵化物，脂肪類有機(jī)物，醇羥基、酚羥基和醚鍵，煤樣基本不會(huì)變質(zhì)，且揮發(fā)出很多有機(jī)類物質(zhì)，最終確定為褐煤。

(2)煤樣主要包含以下成分，例如，SiO2、CaO、 Fe2O3等。

(3)煤樣熱解按照溫度分為室溫-180℃、180～350℃、350～700℃、700～850℃四個(gè)階段。在第一階段中，主要蒸發(fā)掉外在水分，且脫除吸附氣體；接下來就是脫除揮發(fā)分，然后發(fā)生強(qiáng)熱解反應(yīng)；最后發(fā)生半焦縮聚反應(yīng)。