煤炭是我国的主要能源,在我国一次能源生产和消费结构中占有重要比例[1]。 煤炭在采掘、运输和储存过程中存在很多问题,其中煤自燃是未解决的难题之一,研究表明,我国大约有50%的矿井存在自然发火的危险,由煤自燃引起的煤矿井下火灾约占70%[2]。 由于煤是一种由多种元素混合而成的极其复杂的有机质和无机矿物组合体,所以煤自燃氧化过程是一个非常复杂的过程,煤在自燃过程中的反应性与其微观结构紧密相连[3]。 因此,研究煤在氧化升温过程中官能团的迁移规律对确定煤的活跃官能团,推理其在氧化过程中的关键反应途径有着重要作用。
目前,国内许多学者对煤氧化过程中官能团的变化特性作了深入研究。 葛岭梅等[4]研究了神府煤含氧官能团在不同温度下的形成过程,得出煤分子中较为活跃的基团是与芳香族相连的亚甲基和羟基,在低温氧化过程中首先发生反应。 郝朝瑜等[5]研究了宣东二号煤矿煤的微观结构和氧化过程中的活性基团,确定了羟基、饱和和非饱和烃的侧链基团是氧化过程中的主要活性基团。 杨波等[6]研究了弱黏煤在氧化过程中燃点、孔径和官能团随氧化进程的变化规律,发现在氧化过程中,燃点随温度的升高逐渐降低,比表面积随着氧化次数的增加而增大,随着温度的升高煤中的含氧官能团增多,甲基、亚甲基减少。 高晨等[7]研究了长焰煤中贵阳贫煤在富氧燃烧过程中不同阶段煤焦官能团和孔隙结构的演化情况,发现在氧化过程中,羟基含量一直减少,亚甲基比甲基更活泼,比表面积和小孔数量先增多后减少。 程根银等[8]对蒙西侏罗纪煤低温氧化官能团进行了分析,确定了羟基和脂肪烃对煤氧复合作用有较大的影响。 苗树伟等[9]对褐煤含氧官能团含量与氧化过程中的气体释放特性的变化关系进行了研究,确定了官能团变化的规律可以通过相应气体释放来表征。 辛亥会等[10]对3 种不同低阶煤的低温氧化过程做了研究,分析得出了干燥温度对低阶煤干燥影响的微观机理,确定了煤的最佳干燥温度为40 ℃。 赵文斌等[11]研究了同一层煤样不同温度下的煤自燃规律,得出随着氧化温度的升高,煤的自燃倾向性变大,吸附氧的能力变强。 王海燕等[12]对2 种不同变质程度煤表面化学结构进行了分析,得出随着煤变质程度的提高,含氧官能团逐渐减少,芳香环的缩合结构增强。赵婧昱[13]研究了淮南煤在氧化过程中官能团随温度的变化,得出了特征温度下淮南煤分子官能团的迁移转化规律。
综上所述,虽然许多学者已经对煤中的官能团进行了各方面的研究[14-15],但对于长焰煤的研究还不够深入。 基于此,笔者采用原位漫反射傅里叶变换红外光谱测试系统,研究了长焰煤中主要官能团在氧化过程中的迁移规律,以期为煤自燃火灾防治及其火灾风险评估提供理论指导。
选取典型的杨伙盘长焰煤和阳泉无烟煤作为研究对象,在煤矿进行采样后,用自封袋进行密封放置。 为防止煤块表面的煤与氧接触发生氧化而影响试验结果,在取样时选取煤样的中间部分作为试验样品[16],将煤样磨碎至粒径0.106 ~0.180 mm,并干燥备用。
1.2.1 煤样的煤质分析
煤样的工业分析和元素分析分别依据GB/T 212—2008《煤的工业分析方法》及GB/T 476—2008《煤的元素分析方法》测定。
煤的工业分析及元素分析结果见表1。 由表1可知,长焰煤中的水分和挥发分高于无烟煤,灰分和固定碳少于无烟煤,说明长焰煤内部的毛细管比较发达,内表面积大,内部结构疏松,更容易发生自燃。长焰煤中的C 元素含量低于无烟煤,而 H、N、O 含量高于无烟煤,说明长焰煤中芳香环数量比较少,环周围的侧链较长,官能团数量多[17]。
表1 煤的工业分析及元素分析
Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal samples
元素分析(干燥无灰基)/%煤种工业分析(空气干燥基)/%M A V FC w(C) w(H) w(N) w(O)长焰煤 7.81 1.78 28.12 62.29 63.92 4.99 0.80 30.28无烟煤 1.41 6.09 18.18 74.32 85.20 3.63 0.63 10.54
1.2.2 煤样的原位红外测试
采用VENTEX80 型原位漫反射红外光谱仪对煤样进行测试,该试验系统由傅里叶变换红外光谱仪、原位反应池、真空系统、供气系统、漫反射附件、净化与压力装置、控温装置等元件组成[18],其优点是能在不破坏样品的前提下实时监测不同条件下样品的微观结构变化[19]。
将煤粉与kBr 粉末按质量1 ∶1 的比例混合,在流量100 mL/min 的空气气氛下对煤样进行测试,设定扫描次数为32 次,红外光谱分辨率为4 cm-1,升温范围为 30 ~350 ℃,波数扫描范围为 400 ~4 000 cm-1,升温速率为 5 ℃ /min[20]。
根据前人研究得出煤的特征温度点[13,21],采用OPUS 软件对特征温度点的红外吸收峰数据进行提取,最终得到特征温度点下的红外光谱,如图1 所示。
图1 煤样的红外光谱
Fig.1 FTIR spectrum of coal samples
煤的结构非常复杂,造成煤的红外吸收峰比较杂乱,多个官能团吸收峰相互重叠的现象时常发生,通过对原始状态下的谱图进行分峰拟合,使相互干扰的谱带得到了分离。 参照IBARRA 等[22]对红外吸收峰的归属,红外谱图主要存在芳香烃结构、含氧官能团结构、脂肪烃结构、羟基官能团结构4 种类型的吸收峰。
2.1.1 芳香烃红外光谱分峰拟合
波数900 ~700 cm-1 主要是多种取代芳烃的面外弯曲振动[23],根据前人对此区域的归属,870 cm-1附近为苯环五取代,苯环上有1 个氢原子,850 cm-1附近为苯环四取代,苯环上有2 个氢原子,815 cm-1附近为苯环三取代,750 cm-1 附近为苯环二取代[24]。 长焰煤中苯环四取代较多,无烟煤中苯环二取代和苯环一取代较多(图2、图3)。
图2 芳香烃红外光谱分峰拟合结果
Fig.2 Curve-fitting FTIR spectrum of aromatic hydrocarbon for coal samples
2.1.2 含氧官能团红外光谱分峰拟合
图3 各苯环取代类型含量
Fig.3 Content of each benzene ring substitution type
波数1 800~1 000 cm-1区域官能团较多,谱峰比较复杂,主要包括羰基、羧基、醚氧等官能团,同时还有芳香CC 的伸缩振动、—CH3和—CH2的变形振动等组成。 1 715 ~1 670 cm-1 表示羧基—COOH的伸缩振动[23](图4),1 604 ~1 575 cm-1表示芳香环中C
C 伸缩振动,1 470 ~ 1 430 cm-1 表示甲基—CH3的变形振动,1 340 ~1 230 cm-1 表示芳醚Ar—CO 的伸缩振动,1 215 ~ 1 015cm-1 表示脂肪醚C—O—C 的伸缩振动。 各官能团的含量如图5 所示,长焰煤和无烟煤中的C
C 含量相比其他官能团更多,但二者相比无烟煤中的C
C 更多,说明无烟煤中芳香烃含量较多,结构更加稳定。
图4 含氧官能团红外光谱分峰拟合结果
Fig.4 Curve-fitting FTIR spectrum of oxygen-containing functional groups for coal samples
图5 部分含氧官能团含量
Fig.5 Content of partial oxygen-containing functional groups
2.1.3 脂肪烃红外光谱分峰拟合
脂肪烃是所有官能团中反应速率最快的,2 875~2 845 cm-1为亚甲基对称伸缩振动,2 940 ~2 920 cm-1为亚甲基不对称伸缩振动,2 975 ~2 950 cm-1为甲基不对称伸缩振动[23](图6)。 从图6a 可以看出,长焰煤的峰为肩峰和尖峰组合的峰型,图6b 无烟煤的峰则为4 个尖峰。 各官能团含量如图7所示,长焰煤和无烟煤中亚甲基的含量总体高于甲基的含量,说明在氧化过程中亚甲基更为活跃。
图6 脂肪烃红外光谱分峰拟合结果
Fig.6 Curve-fitting FTIR spectrum of aliphatic hydrocarbon for coal samples
2.1.4 羟基红外光谱分峰拟合
羟基是氧化过程中比较活跃的官能团之一,3 540~3 200 cm-1为分子间缔合羟基氢键,3 624 ~3 613 cm-1为分子内羟基氢键,3 697 ~3 650 cm-1为游离的羟基[24](图8)。 研究表明煤中存在多种羟基氢键类型,不同类型的羟基氢键结构稳定性也不同[25]。 长焰煤中 OH—N 氢键含量明显低于无烟煤,但其他类型羟基氢键含量长焰煤都高于无烟煤(图9)。
图7 脂肪烃官能团含量
Fig.7 Content of aliphatic hydrocarbon functional groups
图8 羟基红外光谱分峰拟合结果
Fig.8 Curve-fitting FTIR spectrum of hydroxyl for coal samples
根据煤样复合作用学说,煤低温氧化过程就是,煤分子中的活性基团不断与氧气发生反应,进而放热升温的过程[26]。 此过程中煤的结构性质会有较大的变化,因此研究煤样红外光谱的结构参数对于分析评价煤的化学结构性质有着重要作用,煤在进行红外测试时,其峰强度收到多种因素的影响,而红外光谱吸收峰的峰面积受样品和仪器的因素影响较小,因此采用峰面积比来定量分析,选用以下4 个参数表征煤样的微观结构[27-29]。
图9 羟基氢键类型含量
Fig.9 Content of hydroxyl hydrogen bond type
式中:HAL 为煤样中脂肪氢的浓度;A3000~2700 为在相应波数处的分峰面积和(以下同)。
式中:I1为煤样中支链化程度和脂肪链长度,I1越大,表明样品中支链越少,脂肪链越长。
式中:I2为煤样中脂肪结构官能团和芳香结构官能团的相对含量。
式中:I3为煤样中有机质的成熟度。
特征温度点下的结构参数如图10 所示。 由图10a 可知,初始温度时,长焰煤中脂肪氢的含量比无烟煤相对较高,随着温度的升高,长焰煤中脂肪氢含量基本不变,无烟煤中脂肪氢含量迅速增多后缓慢减少,说明氧化阶段初期无烟煤中的脂肪氢更活跃。图10b 各个温度点I1长焰煤小于无烟煤,表明长焰煤煤中脂肪链越短,支链化程度更高。 图10c I2 在各个温度点长焰煤大于无烟煤,而脂肪氢的值长焰煤大多小于无烟煤,说明长焰煤中芳香结构官能团更少,缩合程度更低,结构更疏松和不稳定。 图10d I3在长焰煤和无烟煤中都为先递减后递增的趋势,表明随着温度升高,煤的成熟度逐渐变化。
煤在氧化升温过程中,其分子中活性基团的数量在不断发生变化,通过对原始波谱分析得到主要官能团的种类,选取各官能团振动强度相对较大的谱峰进行分析。
2.3.1 芳香烃
芳香烃是表征煤分子内芳香环状结构稳定程度的主要官能团,结合图11a、图11b 可知,长焰煤的芳香烃振动强度低于无烟煤,表明长焰煤中芳香环结构少于无烟煤,更容易发生自燃。
图10 长焰煤和无烟煤中各结构参数随温度变化
Fig.10 Structural parameters changes with temperature in long flame coal and anthracite coal
图11 芳香烃官能团变化
Fig.11 Change of aromatic hydrocarbon functional groups
芳烃Ar—CH 的振动强度在长焰煤中总体呈递减的趋势但变化不大,在无烟煤中呈递增的趋势。表明在煤氧化过程中,长焰煤中芳烃Ar—CH 的含量较少,变化微弱;无烟煤中芳烃Ar—CH 增加,是由于与苯环体系直接相连的含氧官能团以及侧链逐渐脱落造成的。 CC 的振动强度呈递减的趋势,但减少幅度较小,表明在煤低温氧化过程中,不饱和烃C
C 在氧化过程中,受到氧气的攻击生成H2O、—OH 等产物,同时也有饱和烃与氧发生脱氢反应后生成不饱和烃,但消耗速率大于生成速率。
2.3.2 含氧官能团
含氧官能团是煤氧化过程中的主要活性基团,对煤的化学性质有着很大的影响。 长焰煤含氧官能团的振动强度低于无烟煤(图12)。 2 种煤样的R—O—R′振动强度在氧化过程中呈小幅度递增的趋势,在高温氧化时,含氧官能团主要以较稳定的醚键存在。 —COOH 是煤氧化过程中一个非常重要的反应过渡基团,其在原始煤中含量非常少。 2 种煤样的—COOH 在200 ℃以前都没有太大变化,200 ℃以后都呈递增的趋势,但无烟煤的增长速度高于长焰煤。 在氧化阶段初期,由于原始煤样中—COOH的含量非常少,所以基本没有变化;随着温度的升高,煤氧化加速,煤中的—OH 和CO 在反应过程中不断生成—COOH,造成其振动强度呈上升趋势。增长速率不同的原因是,长焰煤中—OH 和C
O的总含量相对低于无烟煤。
2.3.3 脂肪烃
图12 含氧官能团变化
Fig.12 Change of oxygen-containing functional groups
脂肪烃侧链主要有2 种形式,甲基—CH3 和亚甲基—CH2。 长焰煤的脂肪烃振动强度低于无烟煤(图13)。 —CH3 的振动强度在氧化过程呈递减的趋势,说明在低温氧化的过程中,—CH3就一直被氧化,与部分含氧官能团桥键断裂,生成CO、CO2和烃类气体。 —CH2的振动强度在长焰煤中150 ℃以前呈递增的趋势,以后呈递减的趋势,无烟煤中120 ℃以前呈迅速递增的趋势,以后呈递减的趋势。 这是由于煤中的脂肪烃一般以长链的形式存在,而一般链长较长的脂肪烃活性较高,在氧化阶段初期,随着温度的升高,脂肪烃受到氧气的攻击,断裂生成更多的脂肪烃,断裂的基团互相碰撞生成更多的亚甲基—CH2,所以在初期呈增加的趋势,且在无烟煤中增长速率更快;但之后,随着温度的升高,侧链和氧复合生成CO 和水蒸气析出,从而导致脂肪烃侧链减少,振动强度因此而降低;长焰煤中脂肪链较短,相对稳定,因此在150 ℃才开始降低。
2.3.4 羟基
羟基—OH 是煤氧化过程中活跃的官能团之一,是煤分子中极为重要的官能团。 长焰煤中缔合羟键的含量高于无烟煤,游离羟基含量低于无烟煤(图14)。
图13 脂肪烃官能团变化
Fig.13 Change of aliphatic hydrocarbon functional groups
图14 羟基变化
Fig.14 Change of hydroxyl
长焰煤中缔合羟键在100 ℃以前,其含量迅速递减,100 ℃以后减少趋势变得缓慢。 无烟煤中缔合羟键在220 ℃以前呈递增的趋势,230 ~280 ℃呈递减的趋势,280 ℃以后又递增。 这是由于变质程度低的长焰煤原始煤样中缔合—OH 的含量比较多,由于羟基的反应活性大,在低温氧化的初期,羟基就与氧及活性烷基反应生成CO、H2O,所以低温氧化前期羟基的含量迅速减少,随着反应的进行,部分不饱和烃氧化生成羟基,使得羟基的递减趋势变得缓慢。 而变质程度高的无烟煤原始煤样中羟基含量少,其生成速率大于消耗速率,所以初期呈递增的趋势;而在220 ℃以后无烟煤中的—OH 和C
O 生成—COOH,造成—COOH 含量迅速增长,—OH生成速率低于消耗速率,呈递减趋势;当—OH 含量减少到一定量时,生成速率又高于消耗速率,所以280 ℃以后又呈递增趋势。 游离的羟基在长焰煤中呈递减的趋势,在无烟煤中呈先递减后递增的趋势。
1)原始煤样中,宏观方面长焰煤内表面积大,内部结构疏松,更容易发生自燃;微观方面长焰煤中脂肪氢含量更多,脂肪链较短,支链化程度相对较高,芳香缩合程度低。
2)随着温度的升高,长焰煤中脂肪氢变化不大,各个温度点结构参数I1长焰煤小于无烟煤,I2长焰煤大于无烟煤,I3在长焰煤为先递减后递增的趋势。
3)在煤氧化过程中,长焰煤中—OH 的相对峰强度呈上下波动的变化规律,变化原因主要受煤中自身—OH 含量和烷基侧链的影响;脂肪烃的相对峰强度呈先增长后减少的变化规律,变化原因主要受长链脂肪烃的影响;含氧官能团中C—O—C 和—COOH都呈递增的变化规律。 笔者仅对官能团在氧化过程中的变化做了对比分析,但未能推测出其具体的反应途径,今后将继续进行深入研究。
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