【能源人都在看，點選右上角加'關注'】
深入探索煤的資源和能源雙重屬性價值，有利於實現“雙碳”目標。為進一步研究受地質因素影響的煤化學結構的變化特徵，《煤炭科學技術》雜誌社邀請中國礦業大學（北京）王紹清教授擔任客座主編，組織策劃2021年第6期“煤地質與煤結構”專題，集中報道岩漿作用對煤化學結構煤巖學特徵的影響、分子結構構建與演化、煙煤生烴結構演化以及煤炭資源化利用建議等方面的最新科技成果，以期為煤的清潔高效利用提供理論支撐。
李美芬副教授撰寫題為《伊敏褐煤不同組分相互作用的熱重-質譜分析》的論文。論文指出煤中不同有機組分之間存在相互作用是煤化作用過程中客觀存在的現象，透過詳細分析伊敏煤6種不同有機組分的熱解特徵及其產物生成特徵，計算了不同有機組分互不影響時各產物的逸出速率曲線，探討了不同有機組分的相互作用機制及其對各產物生成的影響，揭示了煤化作用實質。
李美芬，女，博士，太原理工大學副教授，碩士生導師，美國賓州州立大學訪問學者。主要從事煤結構與煤化作用、煤分子地球化學等方面的教學與科研工作。主持國家自然科學基金專案2項，山西省自然科學基金專案1項，參與國家自然科學基金面上專案、NSFC-山西煤基低碳聯合基金重點專案等10餘項。發表學術論文20餘篇。
論文創新點
煤中不同有機組分之間存在相互作用是煤化作用過程中客觀存在的現象，透過詳細分析伊敏煤6種不同有機組分的熱解特徵及其產物生成特徵，計算了不同有機組分互不影響時各產物的逸出速率曲線，探討了不同有機組分的相互作用機制及其對各產物生成的影響，揭示了煤化作用實質。
摘要
煤成烴及煤化作用一直是煤化學領域的核心問題，為深入理解煤成烴及煤化作用機制，選用伊敏原煤及其不同有機組分為研究物件，運用熱重-質譜(TG-MS)聯用系統，在詳細分析伊敏煤6種不同有機組分的熱解特徵以及主要氣態產物(H2、CH4、C2H6、CO2和苯)的線上析出行為的基礎上，對不同有機組分的相互作用機制進行了深入探討。原煤的熱失重曲線及產物的生成曲線不是其不同有機組分熱失重曲線和產物生成曲線的簡單加和，表現為峰的個數和形狀均存在較大差異，表明在熱解過程中煤中不同有機組分間存在著相互作用。為進一步理解其相互作用機制，對不同有機組分間互不影響時各產物的逸出速率曲線進行了計算，詳細分析了不同有機組分對不同氣態產物生成的影響，結果顯示：煤中的礦物質對H2、CH4及烷烴類的生成具有促進作用，對CO2的生成具有抑制作用，而對苯的生成影響不顯著；腐植酸的存在促進了C2H6的生成，抑制了H2、CH4及苯的生成，對羧基裂解生成CO2的反應有抑制作用，而對穩定含氧官能團裂解生成CO2的反應有促進作用；瀝青質對CO2的生成具有促進作用，對C2H6的生成具有抑制作用，對苯的生成沒有明顯影響。
0
引言
煤熱解是煤綜合利用的第一步，也是煤潔淨高效轉化的基礎，因此，煤科學工作者對煤及其生物質的熱解特徵進行了大量的研究。這些工作的焦點主要集中在2個方面，一是熱解過程中煤結構的變化特徵及其產物的生成特徵，二是熱解的動力學特徵。近年來研究發現，煤熱解過程中煤中不同組分之間存在著相互作用，如VU等利用岩石熱解儀和熱解氣相色譜的方法對乾酪根、原煤及原位瀝青進行了生烴研究，結果發現原煤比抽提殘煤的液體烴產率高，並認為這是由於原位瀝青起到了供氫溶劑的作用，它的存在會阻止前期熱解出來的自由基再聚合的發生，導致原煤中液態烴產率增加。FUSHIMI等利用TG-MS技術研究了木質素和纖維素的熱解行為，結果表明，纖維素在600～700 K時發生熱解，升溫速率過快會加劇生成的焦油產物二次熱解，從而增加CO、CO2和H2的產率；而對於木質素，在500～770 K時就開始熱解生成半焦產物，CO2是主要的氣體產物。閆金定等利用TG-MS研究了兗州煤的熱解行為以及熱解氣相產物的析出行為，透過對比原煤和脫灰煤的TG-MS圖譜發現，煤中礦物質不影響CH4、H2、H2O的生成，但對高溫下CO、CO2的析出有明顯作用。CHANG等利用ReaxFF對新疆五彩灣煤熱解過程中鏡質組和惰質組之間的相互作用機制進行了分子動力學模擬，結果顯示，相互作用可以分為3類。WANG等的結果顯示半焦和煤在高溫下共同熱解存在相互作用，導致甲烷產率在較低溫度(1 000 ℃)即達到峰值。這些工作說明，不同組分間的相互作用是煤化作用過程中客觀存在的現象，對該現象的本質與機制的理解是深化煤化作用機制、揭示煤化作用實質的基礎，但是目前還缺乏對該現象本質與機制的深入理解。
以伊敏煤的不同有機組分為研究物件，利用TG-MS聯用系統對各有機組分的熱解行為及主要氣體產物的逸出行為進行了線上檢測，發現熱解過程中不同有機組分之間存在著相互作用，並詳細分析了不同組分對產物生成的影響。
1
樣品與試驗
1.1 樣品採集
樣品採自內蒙古伊敏露天礦，屬16號巨厚煤層，為褐煤。該煤層形成於中生代白堊紀，發育穩定，埋藏淺，厚度大，是伊敏礦的主採煤層。煤樣的採取遵循GB/T 482—2008《煤層煤樣採取方法》進行，取樣點位於該煤層中部，採好後立即裝入樣品帶中密封儲存，防止樣品被汙染和氧化。將採集到的新鮮煤樣研磨至200目(粒徑
1.2 樣品處理
1.2.1 脫灰處理
1.2.2 腐植酸及瀝青質的提取
1.2.3 樣品的TG-MS試驗
2
結果與討論
2.1 不同有機族組分的熱失重分析
圖1依次為原煤及脫灰煤、腐植酸、脫腐殘煤、瀝青質、脫腐抽瀝殘煤6種有機組分的熱失重(TG)及熱失重微分(DTG)曲線，TG曲線表徵樣品質量隨溫度的變化，DTG曲線表徵樣品質量隨溫度變化的速率，表示某一時刻發生失重反應的劇烈程度。
2.2 不同有機組分間的相互作用
TG分析結果表明，不同組分熱解特徵存在差異，為進一步認識不同組分之間的相互作用及其對熱解產物生成的影響，首先假設熱解過程中各組分間不發生相互作用，則可以透過各組分熱解的氣體產出情況計算原煤氣體的產出情況。已知腐植酸提取率為18.42%，瀝青質的抽提率為11.76%。
圖2顯示了有機組分熱解過程中H2逸出速率的試驗曲線及忽略組分間相互作用的脫灰煤的H2逸出速率計算曲線。
3
結論
1)在伊敏煤熱解過程中，原煤的熱解特徵不是各組分熱解特徵的簡單加和，即熱解過程中各組分間存在著相互作用。
2)煤中礦物質對H2、CH4及烷烴類物質的生成具有促進作用，對CO2的生成具有抑制作用，對苯的生成影響不顯著；腐植酸的存在抑制了H2、CH4的生成，促進C2H6的生成及穩定含氧官能團裂解生成CO2；瀝青質是生烴的主體，它的存在促進含氧官能團脫除生成CO2，抑制了C2H6逸出，而對苯的生成影響較小。
3)脫氧階段，腐植酸抑制了CO2的生成，瀝青質促進了CO2的生成；脫烴類官能團階段，礦物質和腐植酸具促進作用、瀝青質具抑制作用；縮聚反應階段，礦物質加速縮聚反應的進行，腐植酸抑制縮聚反應的進行，而瀝青質對縮聚反應的進行沒有明顯影響。
引用格式
李美芬，邵 燕，李曄熙，等.伊敏褐煤不同組分相互作用的熱重-質譜分析[J].煤炭科學技術,2021,49(6)：161-169.
LI Meifen，SHAO Yan，LI Yexi,et al.Analysis on the interaction between different components of Yimin lignite by TG-MS technique[J].Coal Science and Technology，2021，49(6)：161-169.
免責宣告：以上內容轉載自煤炭科學技術，所發內容不代表本平臺立場。全國能源資訊平臺聯絡電話：010-65367702，郵箱：[email protected]，地址：北京市朝陽區金臺西路2號人民日報社
