不同煤阶煤的CS2-NMP萃取率及与煤性质的关联

第28卷第3期煤炭转化VoL 28 No. 32005年7月COAL CONVERSIONJu.2005不同煤阶煤的CS2NMP萃取率及与煤性质的关联中峻1)李小燕?)邹纲明3)王志忠摘要对6种不同变质程度煤(包括气煤、弱黏煤、肥煤、焦煤和瘦煤)常溫常压下用CS2NMP混合溶剂进行了萃取实验,结果表明,挥发分(V屾)为35%左右的煤具有最高的萃取率,达到43.05%,不同煤阶煤的萃取率与其奥压膨胀度及塑性温度区间近似呈线性关系.通过对原煤、萃取残渣和生成焦粒的红外对比分析教明,不同变质程度煤经过萃取后,残渣中脂肪烃和脂环烃含量有所减少,矿物质大都在残渣中,氫键缔合峰的强弱随不同煤种表现不同,肥煤和气煤氢键締合的极性键都位于煤中的大分子上,而焦煤和弱黏煤中的极性键大都在小分子化合物上关键词CS2NMP,萃取,不同煤阶,煤,红外光谱中图分类号TQ531.50引言混合剂接近,将得到的过滤残渣用丙酮洗涤4次,在105℃~110℃烘箱中干燥1h,称重并计算萃取用溶剂抽提或萃取煤是研究煤结构与性质的一率.将萃取液分别以常压和减压蒸馏回收CS2和种有效手段口,Lino等发现用CS2NMP混合溶NMP保存萃取物及残渣以待分析.5剂对烟煤进行抽提,效果很好,在室温下抽提率可达萃取率计算公式45%~78%(wt,daf).煤中可抽提物数量的多少与萃取率(%)性质对烟煤的成焦能力起很大的作用,表现在对煤(1-M)×原煤重一残渣重×100%粒的黏结及胶质体的生成实验表明,抽提后的残渣用于炼焦往往表现出很差的黏结性.3为了深入了红外分析采用 Bio-rad Fts-165裂解红外光解不同变质程度煤中抽提物的多少及剩余残渣化学谱仪,将1mg样品与约180 mg KBr混合研磨后,性质的变化本实验选用CS2NMP混合溶剂对文制成小片,在红外光谱中以4cm-的分辨率扫描16献[4]中6种不同煤阶煤A1,A5,B1,C1,Dl和Y1次获得光谱图分别进行萃取,计算其苯取率,并对原煤、焦炭和萃2结果与讨论取残渣作了红外对比分析种煤CS2-NMP混合溶剂的萃取率见表1,对1实验部分于萃取物曾试图用气相色谱质谱联用仪来分析其煤样及分析数据以及炭化过程见文献[4]奥压成分,但实际情况是,色谱柱温度升到330℃,除膨胀度测定根据GB5450-85.萃取过程:将用CS2及NMP两溶剂外仍无其他物质被气化,从而znCl2溶液洗选过的煤样粉碎至200目以下,称2g使抽提物的分析成为一个难点左右,放入锥形瓶中,加入新配制的CS2NMP混合衰1几种煤的宣温常压革取率溶剂(1:1,V/V)200mL,室温常压下,磁力搅拌Table 1 Extraction yield of six coals in CS:-NMP1h,然后进行离心分离和过滤,并对移去萃取液的under room temperature and pressure残渣进行循环萃取,直到萃取液的颜色与新配制的中国煤化x-1828.50山西省自然科学基金资助项目(961067)CNMHG1)博士、副教授;4)教授、博士生导师,太原理工大学化学工程与技术学院,030024太原;2)硕士,山西大学化学系,太原0300063)教授广东茂名学院,525000广东茂名收稿日期:200501-03;修回日期:2005-05-20煤炭转化2005年2.1萃取率与各因素的相关关系萃取率,膨胀度b值是胶质体数量与质量的体现,因而可以得出,具有较高溶剂萃取率的煤在炼焦过程从萃取率对挥发分的三阶回归曲线(见图1)来中,生成较多胶质体,有利于煤粒的黏结,同样说明看,随煤阶的降低,煤中CS2NMP可萃取物先是逐煤样中的可萃取物是形成胶质体的重要原料.研究渐升高,当挥发分达到35%daf)左右时,萃取率达煤样萃取物的组成结构以及在焦炭形成过程中所起到最大值,然后随煤阶的进一步降低而减少.在配煤的作用是研究成焦机理的重要方向.炼焦过程中,要求配合煤中各单种煤的胶质体软化区间和温度间隔能较好地搭接,这样可使配合煤在炼焦过程中,能在较大的温度范围内,使焦煤料处于塑性状态,从而改善黏结过程.各种煤的塑性区间不同,其中,肥煤的开始软化温度最早,塑性温度区间10最宽,瘦煤固化温度最晚,塑性温度区间最窄.图2表明,不同煤阶煤的塑性温度区间与煤中的溶剂可150b/%萃取物含量呈很好的正相关关系,也就是说,煤中的图3萃取率与最大膨胀度关系图可萃取物的多少在一定程度上决定了炼焦过程中塑Fig 3 Relation between extraction percent and性温度区间的宽窄,而塑性温度区间越宽的煤料其maximum dilatation黏结能力越强,所以煤中可萃取物含量的多少在一2.2原煤和抽提残渣及焦炭的红外光谱分析定程度上决定了煤料的黏结能力A5,B1,Cl,D1和Y1五种煤的原煤、萃取残渣和焦炭的红外对比图见第3页图4.根据图4,对煤和煤抽提物的红外光谱特征吸收带的归属进行分析A5煤由于变质程度较高,三种形式的红外图中氢键缔合峰都极小,原煤中有2850cm-1~2950cm-1脂肪族和脂环族中CH,CH2和CH3的伸缩振动,有1100cm-硅酸盐矿物和870cm-‘碳酸盐矿物峰,700cm-1~860cm-1不很显著,表明芳环上多元图1萃取率随挥发分变化关系图取代基较少.残渣中,2950cm-1肩峰减小,2900Fig 1 Relation between extractionpercent and volatilem-1相差不大,2850cm-稍有减小,表明萃取后,残渣中脂肪CH3,CH2和脂环CH2减少,值得注意的是,残渣中700cm1~860cm-1峰形增强,表明芳环上取代基较多,而原煤中未表现出.A5焦炭中2950cm-几乎没有,2900cm1和2850cm减小很多,有芳环取代基峰,比残渣稍小,矿物峰比残渣略小Bl原煤氢键缔合峰很强,有强烈的2950cm11502870cm-脂肪和脂环峰,有1603cm-1较强烈酚芳(3-41)/℃环,也有1035cm硅酸盐矿物峰,芳环上的多元取代图2萃取率与塑性温度区间关系图基也很多,还有542cm氧化铝矿物残渣中,氢键缔Fig. 2 Relation between extraction percent and合峰减弱2950cm-略有减少,表明脂肪烃减少,所有plastic temperature domain矿中国煤化工肪和脂环峰不显著硅萃取实验所用到的6种煤中,A1和D1煤样在酸CNMHG代基消失,酚芳环也消膨胀度测定实验中不表现膨胀的特性,对其余4种失煤作萃取率与最大膨胀度关系见图3,二者呈很好C1原煤中氢键缔合峰弱于残渣,脂肪和脂环峰的正线性相关关系,膨胀度大的煤具有相对较高的略强于残渣,硅酸盐矿物残渣中峰形较大芳环上多第3期申峻等不同煤阶煤的CS2-NMP萃取率及与煤性质的关联元取代基比原煤中峰形较大,奇怪的是,生成的焦中五种煤中与A5相当,芳环上也有多元取代基,但强仍有氢键缔合峰和部分的脂肪和脂环峰,芳环上多度较小,￥1残渣中氢键缔合强于原煤,脂肪和脂环元取代基消失.硅酸盐矿物峰消失,可能是硅酸盐在峰强度变化不大,有硅酸盐矿物,残渣中酚羟基、醚炭化中分解了键等强于原煤,芳环上有多元取代基.值得注意的D1残渣中氢键缔合峰弱于原煤,D1不论是原是,生成的焦中仍然有部分脂环和脂肪物存在,且有煤还是残渣,它的脂肪和脂环峰都非常小,在所测的一些氢键缔合峰5035030002500200015001000500350030002500200015001000500Wavenumber /cm-1350030002500200015001000500350030002500200015001000500Wavenumber /cm-I60350030002500200015001000500Wavenumber /em-l图45种原煤和抽提残渣及焦炭的红外光谱图Fig 4 IR spectrum of five coals, extracting residua and cokesa——A5;bB1;c-C1;dDl;e￥1总之,不同变质程度煤经过萃取后,残渣中脂肪就可以萃取出更多的小分子化合物.经过强萃取剂萃烃和脂环烃含量有所减少,硅酸盐和氧化铝等矿物峰取后中国煤化工煤说明酚羟基及进一步增强,说明矿物质大都在残渣中氢键缔合峰氮杂环CNMHG建都位于煤中的大的强弱随不同煤种表现不同.文献[8表明,萃取溶剂分子上,萃取了一部分小分子化合物后,其缔合强度萃取能力越强,越能削弱煤中的非共价键相互作用,增强,如Ⅵ1和C1煤;反之,若残渣中氢键缔合峰弱煤炭转化2005年于原煤,说明煤中的极性键大都在小分子化合物上,混合溶剂进行萃取实验,结果表明,挥发分(V如)为经过混合溶剂的萃取,可以脱除大部分的氢键缔合作35%左右的煤具有最高的萃取率达到43.05%.不用力使残渣氢键缔合峰减弱,如B1和Dl等同煤阶煤的萃取率与其奥压膨胀度及塑性温度区间生成的焦炭中都没有芳环上多元取代基的存近似呈线性关系,通过对原煤、萃取残渣和生成焦粒在,脂肪烃和脂环烃除Y1和C1外,都极其不明显,的红外对比分析表明,不同变质程度煤经过萃取后硅酸盐、碳酸盐矿物峰也比原煤减少,而芳香C—C残渣中脂肪烃和脂环烃含量有所减少,矿物质大都键增多.说明炭化过程中发生了脱去取代基的反应,在残渣中,氢键缔合峰的强弱随不同煤种表现不同,脂肪烃和脂环烃减少,甚至消失,硅酸盐和碳酸盐矿肥煤和气煤氢键缔合的极性键都位于煤中的大分子物发生分解,失去酸根离子上,而焦煤和弱黏煤中的极性键大都在小分子化合3结论物上对6种不同变质程度煤常温常压用CS2NMP[1]叶翠平,冯杰谢克昌.煤的溶剂抽提与抽提物性质的研究.煤炭转化,2002,25(3);1-5[2] Takanohashi T, Yanagida T, lino M. Extraction and Swelling of Low-rank Coals with Various Solvents at Room Tempera-ture. Energy & Fuels,1996,10,1128-113[3] Mochida I, Korai Y, Fujitsu H et al. Mechanism of Carbonization of a Semi-anthracite. 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Extraction yieldof different rank coals have linear relations with their Au-Ar dilatation and plastic temperaturedomain. By the IR spectra of coal, residua and coke, it showsd that after extracting, the contentof aliphatic and alicyclic in residua decreases, most minerals in residua, Different rank coals showdifferent intensity of hydrogen bonds: in fat and gas coals, this bonds locate in macrostructuresin lean and weak-caking coals, they are in extractable中国煤化工sKEY WORDS CS,-NMP, extraction, different raHCNMHG