平朔煤泥性质分析及煤分子模型构建

刘强, 李懿江, 平安, 史英祥. 平朔煤泥性质分析及煤分子模型构建[J]. 矿产保护与利用, 2025, 45(3): 117-124. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2025.03.009
引用本文: 刘强, 李懿江, 平安, 史英祥. 平朔煤泥性质分析及煤分子模型构建[J]. 矿产保护与利用, 2025, 45(3): 117-124. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2025.03.009
LIU Qiang, LI Yijiang, PING An, SHI Yingxiang. Properties Analysis and Molecular Modelling of Pingshuo Coal Slime[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2025, 45(3): 117-124. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2025.03.009
Citation: LIU Qiang, LI Yijiang, PING An, SHI Yingxiang. Properties Analysis and Molecular Modelling of Pingshuo Coal Slime[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2025, 45(3): 117-124. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2025.03.009

平朔煤泥性质分析及煤分子模型构建

  • 基金项目: 国家自然科学基金企业创新发展联合基金重点支持项目(U24B20198)
详细信息
    作者简介: 刘强(1981—),男,河北成安人,工学学士,高级工程师,主要从事煤炭清洁高效利用方面研究工作,E-mail:1739944072@qq.com
    通讯作者: 平安(1995—),男,辽宁抚顺人,博士,工程师,主要从事煤炭清洁高效利用方面研究工作,E-mail:padyx@qq.com
  • 中图分类号: TD94

Properties Analysis and Molecular Modelling of Pingshuo Coal Slime

More Information
  • 煤的化学成分从根本上决定了其转化和利用途径。煤分子模型的建立与模拟可以降低实验成本和时间,提高研究效率。复杂的成煤植物和沉积环境导致煤化学成分的复杂性,因此准确构建能够真实反映煤物理化学性质的分子模型对开展煤炭清洁高效利用的研究至关重要。以山西平朔矿区煤泥为样本,通过13C核磁共振波谱、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱研究了煤中C、O、N元素的赋存形式,确定了各元素相对含量。结果表明,平朔煤泥中煤不存在芳香甲基,碳元素主要以单环、多环芳香碳形式存在,氧元素主要以酯基、羟基等形式存在,氮元素主要以吡啶型氮形式存在。根据煤质分析结果,构建了分子式为C136H150O18N2的平朔煤分子模型。13C 核磁共振波谱预测验证与密度验证结果表明,模型谱线与实测谱线吻合度较高,模型密度与煤实际密度仅相差0.019 g/cm3,说明模型具有较好的代表性。这项研究为深入理解煤的化学结构提供了重要依据,也为煤的高效清洁转化奠定了理论基础。

  • 加载中
  • 图 1  13C NMR测试结果

    Figure 1. 

    图 2  13C NMR分峰拟合结果

    Figure 2. 

    图 3  平朔煤泥FTIR测试结果

    Figure 3. 

    图 4  2980~2 800 cm−1分峰拟合结果

    Figure 4. 

    图 5  1800~950 cm−1分峰拟合结果

    Figure 5. 

    图 6  C 1s峰的分峰拟合结果

    Figure 6. 

    图 7  N1s峰的分峰拟合

    Figure 7. 

    图 8  平朔煤分子模型

    Figure 8. 

    图 9  平朔煤分子模型的13C NMR验证

    Figure 9. 

    图 10  模型密度−时间曲线

    Figure 10. 

    表 1  平朔煤泥工业分析结果

    Table 1.  Industrial analysis of Pingshuo coal slime /%

    成分 Mad Ad Vad FCad
    含量 1.54 26.74 29.00 43.13
    注:Mad空气干燥基水分;Ad空气干燥基水分;Vad空气干燥基挥发分;FCad空气干燥基固定碳。
    下载: 导出CSV

    表 2  煤泥元素分析结果

    Table 2.  Element analysis of Pingshuo coal slime /%

    Cdaf Hdaf Odaf Ndaf St,d
    78.55 5.03 13.36 1.33 1.26
    注:Cdaf干燥无灰基碳元素含量;Hdaf干燥无灰基氢元素含量;Odaf干燥无灰基氧元素含量;Ndaf干燥无灰基氮元素含量;St,d煤中全硫含量。
    下载: 导出CSV

    表 3  煤泥硫元素分析结果

    Table 3.  Sulfur elements forms in Pingshuo coal slime /%

    St,ad Sp,ad Ss,ad So,ad
    1.26 1.01 0.15 0.11
    注:St,ad煤中全硫含量;Sp,ad硫铁矿硫含量;Ss,ad硫酸盐硫含量;So,ad有机硫含量。
    下载: 导出CSV

    表 4  0~70 ×10−6峰的分峰拟合结果

    Table 4.  Peak fitting results of 0~70×10−6 13C NMR spectrum

    化学位移
    /10−6
    峰归属 峰数量 峰面积 峰面积
    占比/%
    0~22 脂肪甲基 4 13558 22.54
    22~26 芳香甲基 / / /
    26~37 亚甲基 2 35184 46.64
    37~50 次甲基 1 2333 19.00
    50~100 氧−脂肪碳 5 9068 11.82
    合计 12 60143 100.00
    下载: 导出CSV

    表 5  (100~160)×10−6峰的分峰拟合结果

    Table 5.  Peak fitting results of (100~160)×10−6 13C NMR spectrum

    化学位移
    /10−6
    峰归属 峰数量 峰面积 峰面积
    占比/%
    100~130 质子化的芳香碳 8 66557 66.27
    130~140 桥碳 2 14264 14.20
    140~148 烷基化芳香碳 1 7690 7.66
    148~163 氧−芳香碳 2 11921 11.87
    合计 13 100433 100.00
    下载: 导出CSV

    表 6  2980~2800 cm−1分峰拟合结果

    Table 6.  Peak fitting results of 2980~2800 cm−1 FTIR spectrum

    波数/cm−1 峰归属 峰宽 峰面积占比/%
    2955 CH3反对称伸缩 23.92 11.02
    2921 CH2反对称伸缩 34.93 44.61
    2892 CH3对称伸缩 24.99 10.77
    2855 CH2对称伸缩 44.13 33.60
    合计 100.00
    下载: 导出CSV

    表 7  1800~950 cm−1分峰拟合结果

    Table 7.  Peak fitting results of 1800~950 cm−1 FTIR spectrum

    波数/cm−1 峰归属 半峰宽 峰面积占比/%
    1713 羧酸羰基C=O伸缩 49.17 1.75
    1608 芳香族C−C伸缩 95.80 21.88
    1462 甲基、亚甲基 126.83 11.01
    1439 甲基、亚甲基 52.63 3.87
    1376 醇C−OH面内弯曲 71.10 6.34
    1325 醇C−OH面内弯曲 53.12 2.54
    1286 酚类C−OH伸缩 75.46 3.19
    1256 酚类C−OH伸缩 77.96 5.89
    1213 酚类C−OH伸缩 53.39 2.43
    1183 酚类C−OH伸缩 57.03 3.51
    1158 脂肪醚C−O 38.65 2.59
    1133 脂肪醚C−O 25.40 1.90
    1117 脂肪醚C−O 13.52 1.12
    1106 醇类C−OH伸缩 14.36 0.38
    1097 醇类C−OH伸缩 39.36 2.01
    1086 醇类C−OH伸缩 48.38 8.08
    1063 醇类C−OH伸缩 23.97 1.53
    1034 芳香酯类C−O伸缩 36.11 14.08
    1018 芳香酯类C−O伸缩 6.22 0.11
    1010 芳香酯类C−O伸缩 13.76 2.95
    998 无机盐类 13.76 1.64
    985 无机盐类 18.00 1.20
    合计 100.00
    下载: 导出CSV

    表 8  C1s峰的分峰拟合结果

    Table 8.  Peak fitting results of C1s

    峰归属 峰位置/eV 半峰宽 峰面积 峰面积占比/%
    C−C 284.8 1.02 245623.31 63.99
    C−O 285.5 1.25 89976.52 23.44
    C=O 286.5 1.45 48208.40 12.57
    合计 383801.23 100.00
    下载: 导出CSV

    表 9  N1s峰的分峰拟合结果

    Table 9.  Peak fitting results of N1s

    峰归属 峰位置/eV 半峰宽 峰面积 峰面积占比/%
    吡啶 398.8 1.9 3255.69 20.82
    吡咯 400.2 1.5 9052.73 57.88
    季氮 401.6 1.6 2516.31 16.09
    氮氧化合物 402.9 1.8 815.01 5.21
    合计 15639.74 100.00
    下载: 导出CSV

    表 10  平朔煤结构参数

    Table 10.  Structural parameters of Pingshuo coal slime

    质子化芳香碳参数(fHa)芳香碳−氧参数(fPa)烷基取代芳香碳参数(fSa)芳香桥碳参数(fBa)芳香环聚合度参数(Xb)脂肪侧链长度参数(I)
    66.2711.877.6614.200.1660.279
    下载: 导出CSV
  • [1]

    夏炎, 许睿, 路学忠, 等. 宁夏煤的分子结构演化特征[J]. 西安科技大学学报, 2024, 44(5): 924−933.

    XIA Y, XU R, LU X Z, et al. Molecular structure evolution characteristics of coals in Ningxia Hui Autonomous Region[J]. Journal of Xi'an University of Science and Technology, 2024, 44(5): 924−933.

    [2]

    王雷雷, 赵丹, 刘丹丹, 等. 炼焦煤结构性质分析及同类煤种替换对配煤焦炭质量影响研究[J]. 煤炭转化, 2024: 1−20[2024−12−28]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/14.1163.TQ.20240626.1323.002.html.

    WANG L L, ZHAO D, LIU D D, et al. Study on structural properties of coking coal and influence of coals in similar category replacement on quality of coal blending coke[J]. Coal Conversion, 2024: 1−20[2024−12−28]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/14.1163.TQ.20240626.1323.002.html.

    [3]

    于佳晨. 中低阶煤的键合结构对液化与热解反应影响的研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2024.

    YU J C. Effect of the bonding structure of low and medium rank coals on direct liquefaction and pyrolysis[D]. Beijing: Beijing University of Chemical Technology, 2024.

    [4]

    郭伟, 杨盼曦, 俞尊义, 等. 陕北富油煤分子模型构建及其热解提油分子动力学特性[J]. 煤田地质与勘探, 2024, 52(7): 132−143.

    GUO W, YANG P X, YU Z Y, et al. Molecular modeling of tar−rich coals from northern Shaanxi and their moleculardynamic characteristics in the process of pyrolysis for tar extraction[J]. Coal Geology & Exploration, 2024, 52(7): 132−143.

    [5]

    赵佳佳. SiO2−H2O纳米流体对煤润湿性的影响及其改性机理研究[D]. 贵阳: 贵州大学, 2024.

    ZHAO J J. Effect of SiO2−H2O nanofluid on coal wettability and its modification mechanism[D]. Guiyang: Guizhou University, 2024.

    [6]

    李焕同, 邹晓艳, 张卫国, 等. 陕南地区中煤阶煤分子结构演化特征[J]. 西安科技大学学报, 2023, 43(6): 1118−1127.

    LI H T, ZOU X Y, ZHANG W G, et al. Molecular evolution of medium rank coal in Southern Shaanxi[J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology, 2023, 43(6): 1118−1127.

    [7]

    李雪萍, 曾强. 光谱分析在煤结构研究中的进展[J]. 光谱学与光谱分析, 2022, 42(2): 350−357.

    LI X P, ZENG Q. Development and progress of spectral analysis in coal structure research[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2022, 42(2): 350−357.

    [8]

    崔馨, 严煌, 赵培涛. 煤分子结构模型构建及分析方法综述[J]. 中国矿业大学学报, 2019, 48(4): 704−717.

    CUI X, YAN H, ZHAO P T. A review on the model construction and analytical methods of coal molecular structure[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2019, 48(4): 704−717.

    [9]

    LIN B, ZHA W, LIU T. Experimental study on molecular structure differences between the tectonic coal and primary coal in Pingdingshan coalfield[J]. Vibrational Spectroscopy, 2019, 103.

    [10]

    CUI X, YAN H, ZHAO P, et al. Modeling of molecular and properties of anthracite base on structural accuracy identification methods[J]. Journal of Molecular Structure, 2019, 1183: 313−323. doi: 10.1016/j.molstruc.2019.01.092

    [11]

    KELEMEN S R, AFEWORKI M, GORBATY M L, et al. Direct characterization of kerogen by x−ray and solid−state 13C nuclear magnetic resonance methods[J]. Energy & Fuels, 2007, 21(3): 1548−1561.

    [12]

    TAKANOHASHI T, KAWASHIMA H. Construction of a model structure for upper freeport coal using 13C NMR chemical shift calculations[J]. Energy & Fuels, 2002, 16(2): 379−387.

    [13]

    KIDENA K, KATSUYAMA M, MURATA S, et al. Study on plasticity of maceral concentrates in terms of their structural features[J]. Energy & Fuels, 2002, 16(5): 1231−1238.

    [14]

    范文科, 丁立奇, 王安民. 鱼卡煤田褐煤腐植组和惰质组的分子结构差异与模型构建[J]. 煤炭技术, 2024, 43(10): 274−277.

    FAN W K, DING L Q, WANG A M. Molecular structure differences and model construction between huminite and inertinite in lignite in Yuqia Coalfield[J]. Coal Technology, 2024, 43(10): 274−277.

    [15]

    ERDENETSOGT B, LEE I, LEE S K, et al. Solid−state C−13 CP/MAS NMR study of Baganuur coal, Mongolia: Oxygen−loss during coalification from lignite to subbituminous rank[J]. International Journal of Coal Geology, 2010, 82(1/2): 37−44. doi: 10.1016/j.coal.2010.02.005

    [16]

    黄金山. 淮北烟煤分子模型构建及润湿性能研究[D]. 淮南: 安徽理工大学, 2024.

    HUANG J S. Molecular modeling and wettability study of Huaibei bituminous coal[D]. Huainan: Anhui University of Science and Technology, 2024.

    [17]

    温志辉, 方智银, 赵延霞, 等. 无烟煤分子模型构建及优化方法研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2024, 20(4): 94−100.

    WEN Z H, FANG Z Y, ZHAO Y X, et al. Research on construction and optimization method of anthracite molecular model[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2024, 20(4): 94−100.

    [18]

    PING A, XIA W, PENG Y, et al. Comparative filtration and dewatering behavior of vitrinite and inertinite of bituminous coal: Experiment and simulation study[J]. International Journal of Mining Science and Technology, 2021, 31(2): 233−240.

    [19]

    GAO B, WU C, SONG Y, et al. Structural characterization of high fidelity for bituminous and semi−anthracite: Insights from spectral analysis and modeling[J]. Fuel (Guildford), 2022, 315: 123183. doi: 10.1016/j.fuel.2022.123183

    [20]

    SOLUM M S, PUGMIRE R J, GRANT D M. 13C solid−state NMR of argonne premium coals[J]. Energy & Fuels, 1989, 3(2): 187−193.

    [21]

    夏阳超. 褐煤表面吸水机理及润湿性调控的分子模拟研究[D]. 太原: 太原理工大学, 2017.

    XIA Y C. Molecular simulations on adsorption of water onto lignite surface and its wettability modification[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology, 2017.

    [22]

    贾建波, 曾凡桂, 孙蓓蕾. 神东2−2煤镜质组大分子结构模型13C−NMR谱的构建与修正[J]. 燃料化学学报, 2011(9): 652−657.

    JIA J B, ZENG F G, SUN B L. Construction and modification of macromolecular structure model for vitrinite from Shendong 2−2 coal[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2011(9): 652−657.

  • 加载中

(10)

(10)

计量
  • 文章访问数:  47
  • PDF下载数:  3
  • 施引文献:  0
出版历程
收稿日期:  2025-03-02
刊出日期:  2025-06-15

目录