不同煤阶煤大分子模型构建及对比

摘要

煤大分子模型是研究煤的物理化学性质和高效利用的基础，然而，当前尚缺乏反映不同煤阶煤性质的大分子模型的构建和对比。为此，本研究利用工业分析和元素分析，以及核磁共振碳谱、红外光谱、X射线光电子能谱等测试手段，结合前人数据，构建并搜集了河曲煤、孝义煤、店坪煤、高阳煤、阳泉煤、赵庄煤等横跨褐煤到无烟煤（R_O=0.46%～3.21%）的13个不同煤阶煤大分子模型序列。煤大分子结构参数显示，随煤阶升高，芳香结构中芳碳率呈3阶段增加演化趋势；桥周比、桥接芳碳均线性增加，侧支芳碳、氧接芳碳在煤变质第一次跃变点以前快速减少。脂肪结构中脂碳率与芳碳率相反，呈3阶段减小趋势；甲基碳第一次跃变点之前增加最后减小；亚甲基碳呈波动变化与三次煤化跃变对应；氧接脂碳的变化情况规律不明显。含氧官能团含量则随煤阶的升高而减少。范德华能和键伸缩能的降低对分子稳定性起主导作用，氢键能只在低阶煤（褐煤）和中阶煤（长焰煤、气煤）及分子之间起作用。低阶煤（褐煤）和中阶煤（长焰煤到瘦煤）的多分子总能量低于等量单分子的能量，而高阶煤（贫煤和无烟煤）由于π-π作用多分子能量高于等量单分子能量。总体上，文中所建大分子模型序列反映了煤变质规律，揭示了煤分子能量构成。研究成果有望能为进一步的煤大分子模拟工作提供基础煤分子构型。

关键词

煤 / 分子模型 / 官能团 / 能量构型 / 煤阶

基金资助

国家自然科学基金项目(41872178);国家自然科学基金联合基金重点项目(U1910205)