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主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“煤地质与煤结构”专题

来源:《煤炭科学技术》2021年第6期

我国能源资源禀赋特点决定了煤炭在能源结构中的主体地位。深入探索煤的资源和能源双重属性价值,有利于实现“ 双碳” 目标。成煤地质条件是影响煤化学结构的本质因素,而煤的结构特性直接决定其加工利用水平。因此,探究煤地质与煤结构关系是为实现煤炭清洁高效利用的基础,是贯彻落实李克强总理在2020 年政府报告中指出的推动煤炭清洁高效利用的重要指示,符合《能源技术革命创新行动计划(2016-2030)》提出的加强煤炭分级分质转化技术创新要求。

煤具有复杂性和非均质性,具有博物学的特点。煤的分子结构复杂、多样,虽然煤化学家基于化学方法给出了煤的大分子模型,但与地质因素结合方面的研究还相对薄弱。为进一步研究受地质因素影响的煤化学结构的变化特征,“ 煤地质与煤结构” 专题基于自然地质条件,结合岩石学、计算机模拟技术等,共同探讨煤化学结构的演化,以期为煤的清洁高效利用提供理论支撑。专题刊登7 篇代表性论文,集中报道岩浆作用对煤化学结构煤岩学特征的影响、分子结构构建与演化、烟煤生烃结构演化以及煤炭资源化利用建议等方面的最新科技成果。

衷心感谢各位专家学者为专题撰稿! 感谢各位审稿专家在稿件评审过程中给出的建设性意见! 感谢中国矿业大学、西安科技大学、太原理工大学、安徽理工大学、中国矿业大学( 北京) 等单位给予的大力支持!

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  • 作者(Author): 《煤炭科学技术》

  • 作者(Author): 王绍清

    摘要:  我国能源资源禀赋特点决定了煤炭在能源结构中的主体地位。深入探索煤的资源和能源双重属性价值,有利于实现“ 双碳” 目标。成煤地质条件是影响煤化学结构的本质因素,而煤的结构特性直接决定其加工利用水平。因此,探究煤地质与煤结构关系是为实现煤炭清洁高效利用的基础,是贯彻落实李克强总理在2020 年政府报告中指出的推动煤炭清洁高效利用的重要指示,符合《能源技术革命创新行动计划(2016-2030)》提出的加强煤炭分级分质转化技术创新要求。  煤具有复杂性和非均质性,具有博物学的特点。煤的分子结构复杂、多样,虽然煤化学家基于化学方法给出了煤的大分子模型,但与地质因素结合方面的研究还相对薄弱。为进一步研究受地质因素影响的煤化学结构的变化特征,“ 煤地质与煤结构” 专题基于自然地质条件,结合岩石学、计算机模拟技术等,共同探讨煤化学结构的演化,以期为煤的清洁高效利用提供理论支撑。专题刊登7 篇代表性论文,集中报道岩浆作用对煤化学结构煤岩学特征的影响、分子结构构建与演化、烟煤生烃结构演化以及煤炭资源化利用建议等方面的最新科技成果。  衷心感谢各位专家学者为专题撰稿! 感谢各位审稿专家在稿件评审过程中给出的建设性意见! 感谢中国矿业大学、西安科技大学、太原理工大学、安徽理工大学、中国矿业大学( 北京) 等单位给予的大力支持!
  • 作者(Author): 唐跃刚, 陈鹏翔, 李瑞青, 郇璇, 徐靖杰, 樊江涛, 车启立

    摘要:随着煤基碳材料的发展,石墨烯及石墨烯氧化物等二维碳纳米材料已成为目前新型材料中重要研究领域并成为研究热点。为查明煤基氧化石墨烯的化学成分组成和分子结构特征,以北京西山矿区侏罗纪门头沟系的8号煤层无烟煤为碳源,对京西原煤样和脱灰样进行了工业分析和元素分析,京西煤属于品质较好的低灰、低挥发分和特低硫无烟煤,脱灰后京西无烟煤的灰分产率从初始的9.26%下降到0.65%,表明矿物得到了有效去除。利用改良的Hummers氧化还原法制备煤基氧化石墨烯,并对制备的氧化石墨烯进行了核磁共振碳谱(13C-NMR)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X-射线光谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)等分析手段测试。通过Origin软件对所得数据进行分析和图谱拟合,得到了所制备煤基氧化石墨烯产品的元素比和产品结构参数。研究表明:京西煤基氧化石墨烯的芳香结构以苯、萘、蒽和菲为主;脂肪碳以次甲基、环烷烃的形式存在,其中含氧官能团以酚羟基和醚氧基为主,还含有大量的羧基。在此分析数据的基础上,构建了京西煤基氧化石墨烯的分子结构模型,并运用13C-NMR预测软件ACD/CNMR predictor对其进行了结构修正,所得到的GO-JX分子结构模型与试验核磁共振图谱较一致。
  • 作者(Author): 杜美利, 刘雷, 贺成杰, 樊锦文, 李刚

    摘要:树脂体分子骨架由萜类衍生物为主的小分子和大分子构成,树脂体中小分子及大分子结构与现代植物分泌树脂的演化关系是本研究的核心。利用逐级溶剂萃取、元素分析、碳13核磁共振(13CNMR)、傅立叶红外光谱(FTIR)、气相色谱-质谱联用(GC/MS)和X射线光电子能谱(XPS)等方法,系统研究了抚顺古近纪树脂残植煤中树脂体(琥珀)的分子组成。结果显示,树脂体中小分子化合物主要由1~2环芳烃、酯类化合物和直链烷烃(C16~C30)组成,含少量单萜、倍半萜类化合物。树脂体中的脂肪酸主要来源于酯类水解,脂肪烃则来源于树脂酸脱羧,芳烃(烷基苯、烷基萘及其衍生物)主要来源于萜烯酸与羟基脂肪酸或环状单萜及倍半萜歧化反应。树脂体的桥碳/周碳比(XBP)为0.18,脂碳质量分数(86.37%)高于芳碳质量分数(13.63%),说明其大分子结构具有低芳香度和长支链等特点;运用MS软件构建了树脂体大分子结构模型,其分子式为C96H152O8,相对分子质量1 432,芳香度0.126,大分子结构中主要含有环烷烃、萜类(单萜和倍半萜)、脂肪长链和烷基苯等结构片段,有机氧主要以不同含氧官能团存在(2个酚羟基、1个酯基、2个羧基)。树脂体小分子组成及演变方面的研究对其形成过程认识具有重要理论意义,对从分子尺度构建其大分子结构模型和研究其性质奠定了重要的理论基础。
  • 作者(Author): 相建华, 雷蕾

    摘要:煤表面官能团对CH4以及CO2吸附性能的影响已得到印证,但不同官能团类型对2种气体吸附行为的具体促进与阻碍作用以及影响因素尚未有定论。利用密度泛函理论,通过计算不同官能团化结构对CH4以及CO2的吸附能数据,揭示了表面官能团对CH4以及CO2吸附性能的作用规律。结果表明:无论是在经官能团修饰的结构中还是无官能团化碳-Layer结构中,CO2的吸附能均大于CH4,表明CO2与煤大分子结构间的作用均大于CH4。CH4在CH4/CO2竞争吸附的吸附能模拟中,吸附平衡距离大于单一CH4分子吸附模拟平衡距离;CO2在CH4/CO2竞争吸附的吸附能模拟中,吸附平衡距离小于单一CO2分子吸附平衡距离,CO2表现出竞争吸附优势。CH4在不同含氧官能团化结构中吸附能大小的顺序为羰基-Layer结构(-23.64 kJ/mol)>羟基-Layer结构(-19.44 kJ/mol)>羧基-Layer结构(-18.28 kJ/mol),上述吸附能均都小于CH4在无官能团化C-Layer结构中的吸附能(-25.37 kJ/mol);含氧官能团的存在削弱了煤体的CH4吸附性能,且影响强弱与官能团的碱性与疏水性有关。CO2在不同含氧官能团化结构中吸附能大小的顺序为羧基-Layer结构(-36.33 kJ/mol)>羟基-Layer结构(-34.06 kJ/mol)>羰基-Layer结构(-33.43 kJ/mol),上述吸附能均大于CO2在无官能团化碳-Layer结构中的吸附能(-32.54 kJ/mol);含氧官能团的存在提高了煤体的CO2吸附性能,且影响强弱与官能团的极性有关。吡啶氮官能团化结构中CH4的吸附能为-31.00 kJ/mol,大于无官能团化碳-Layer结构中CH4的吸附能;吡咯氮官能团化结构中CH4的吸附能为-6.40 kJ/mol,,小于无官能团化碳-Layer结构中CH4的吸附能。CO2在吡啶氮官能团化结构与吡咯氮官能团化结构中的吸附能分别为-50.56 kJ/mol与-14.71 kJ/mol。含氮官能团对煤体结构吸附CH4和CO2的阻碍与促进作用具有相同的规律,即吡啶促进吸附而吡咯阻碍吸附。
  • 作者(Author): 李伍, 杨文斌, 杜仲华

    摘要:随着煤化作用的进程,煤中不同显微组分可以生成油气,该过程可以通过热模拟试验完成。为获得烟煤生烃结构演化特征,采集了淮北煤田4煤层样品,基于黄金管热解生烃试验、傅里叶红外光谱(FTIR)和高分辨率透射电镜(HRTEM),分析了不同升温速率下烃类产率特征,研究了生烃过程中煤化学结构演化规律,计算了FTIR和HRTEM结构参数,探讨了生烃产率和结构演化之间的对应关系。结果表明:C1-5和甲烷随着温度升高,产率不断增大,且在中间温度区间急剧增大,C14+先增大后减小,且不同升温速率,达到峰值的温度有所差异。CH2/CH3和A2800-3000 cm-1/A3000-3100 cm-1呈现不一样的变化规律,但均有降低的趋势。0~0.1 nm芳香结构占比均为最多,0~1.0 nm表现出先降低-升高的周期性变化趋势。烟煤及热解产物的芳香结构主要包括2×2、3×3、4×4,含有少量的5×5尺寸芳香结构,45°主方向性变化降低、保持和升高的趋势规律。
  • 作者(Author): 李美芬, 邵燕, 李晔熙, 范晶, 曾凡桂

    摘要:煤成烃及煤化作用一直是煤化学领域的核心问题,为深入理解煤成烃及煤化作用机制,选用伊敏原煤及其不同有机组分为研究对象,运用热重-质谱(TG-MS)联用系统,在详细分析伊敏煤6种不同有机组分的热解特征以及主要气态产物(H2、CH4、C2H6、CO2和苯)的在线析出行为的基础上,对不同有机组分的相互作用机制进行了深入探讨。原煤的热失重曲线及产物的生成曲线不是其不同有机组分热失重曲线和产物生成曲线的简单加和,表现为峰的个数和形状均存在较大差异,表明在热解过程中煤中不同有机组分间存在着相互作用。为进一步理解其相互作用机制,对不同有机组分间互不影响时各产物的逸出速率曲线进行了计算,详细分析了不同有机组分对不同气态产物生成的影响,结果显示:煤中的矿物质对H2、CH4及烷烃类的生成具有促进作用,对CO2的生成具有抑制作用,而对苯的生成影响不显著;腐植酸的存在促进了C2H6的生成,抑制了H2、CH4及苯的生成,对羧基裂解生成CO2的反应有抑制作用,而对稳定含氧官能团裂解生成CO2的反应有促进作用;沥青质对CO2的生成具有促进作用,对C2H6的生成具有抑制作用,对苯的生成没有明显影响。
  • 作者(Author): 陈健, 李洋, 刘文中, 江佩君, 曾建, 陈萍

    摘要:岩浆侵入煤系地层导致煤发生接触变质作用,形成天然焦,降低煤经济价值,增加自燃和瓦斯突出风险,改变煤层气赋存条件,还被认为是地史时期全球气候变化和生物绝灭的重要触发因素。为揭示岩浆侵入过程煤结构的变化规律,文章从煤层宏观结构构造到微观显微组分,从原始沉积结构的变化到新形成的特征结构,全面系统论述了岩浆侵入对煤结构的影响。岩浆高温、侵位压力、热液流体等因素导致煤层结构构造和煤显微组分发生显著改变,发育微孔裂隙、脱挥发孔或囊状结构、各向同性焦、各向异性焦、热解碳、石墨球粒和焦化沥青质等。受岩浆侵入影响煤层煤结构的变化规律是确定接触变质晕范围和气体赋存条件的科学基础,在热变质煤资源的安全开采和综合利用方面亦具重要现实意义。

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