一种低阶煤热解形成BTEXN的过程解析

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BTEXN(苯、甲苯、乙苯、二甲苯和萘)是基本有机化工原料,广泛应用于塑料、农药、医药和燃料等行业。除从石油化工行业制取外,这些化合物还可通过煤热解来获取。煤主要由两部分物质组成:有机质和矿物质,在煤有机质大分子结构中还分散嵌有一定量的低分子化合物。一般来说,煤热解主要是煤大分子结构的裂解,同时煤中矿物质和低分子化合物会对煤热解过程中的热解行为、热解产物的分布产生一定的影响。因此,在研究煤热解形成BTEXN的过程中,探究矿物质和低分子化合物对煤热解过程BTEXN形成规律的影响具有重要意义。本文通过HCl–HF酸洗一种选自哈萨克斯坦的低阶煤(简称KZ),获得脱矿物质煤样。并对原煤以及脱除矿物质的煤样进行吡啶抽提,以提取煤中的低分子化合物,并获得相应的抽提残煤。然后采用Py-GC/MS联用仪获得原煤、脱矿物质煤以及抽提残煤热解过程中BTEXN的生成量和分布信息,通过对比煤样脱矿物质前后以及抽提前后BTEXN生成规律的变化,探讨了煤中矿物质、低分子化合物与BTEXN形成规律之间的内在关联。同时对煤中矿物质对煤热解过程中BTEXN生成的催化机理以及低分子化合物对其的作用机制进行了解析。得到以下主要结论:(1)KZ煤热解生成BTEXN的总产率为1.1wt.%。随着热解温度(500oC–1000oC)的升高,BTEXN产率呈先升后降的趋势,在700oC达到最大值,占总产率的57%。煤热解过程生成的BTEXN以苯、甲苯为主。(2)KZ煤中矿物质对其热解过程BTEXN的形成有催化作用。其中起催化作用的主要是含Ca、Fe等金属的矿物质,其可催化裂解产物中的稠环芳烃和酚类化合物等物质,生成苯、甲苯等轻质芳烃,最终改变煤热解产物的组分分布。(3)KZ煤中低分子化合物主要由直链脂肪烃、芳烃以及含氧化合物组成。这部分化合物热解生成BTEXN占脱灰萃取前煤样总生成量的16%,表明KZ煤热解过程产生的BTEXN主要由煤的大分子骨架结构裂解生成。低分子化合物的存在可促进BTEXN的生成,主要因为低分子化合物作为富氢组分,尤其是其中的脂肪烃可热解产生数量可观的活性氢,与煤热解产生的自由基碎片耦合,促进了BTEXN生成。(4)低分子化合物在煤中的存在形式、与煤大分子骨架的连接方式以及所处的空间位置对其供氢作用有显著的影响。矿物质可催化低分子化合物中的脂肪烃生成活性氢,以提高低分子化合物的供氢能力,二者共同促进了BTEXN的形成。
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