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        不同密度分級下富油煤微觀結(jié)構(gòu)研究

        2023-11-14 05:43:14李新韓波張哲豪何羽飛常進(jìn)宇趙奔
        石化技術(shù) 2023年11期
        關(guān)鍵詞:富油官能團(tuán)芳烴

        李新 韓波 張哲豪 何羽飛 常進(jìn)宇 趙奔

        1. 中國石油集團(tuán)測井有限公司地質(zhì)研究院 陜西 西安 710077

        2. 西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院 陜西 西安 710054

        我國資源結(jié)構(gòu)呈“缺油、少氣、相對富煤”的特點,這決定了煤炭在一次性能源生產(chǎn)和消費中的相對主導(dǎo)地位。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,煤炭的生產(chǎn)和消費呈快速增長的趨勢。因此,石油供不應(yīng)求的問題成為了我國能源發(fā)展的關(guān)鍵性問題[1]。

        富油煤通過熱解可以產(chǎn)出油、氣和半焦,可作為煤基油氣資源緩解油氣供應(yīng)緊張的局面,且具有較大的資源潛力。煤田地質(zhì)學(xué)中對富油煤的定義是:低溫干餾焦油產(chǎn)率(Tar.d)為7%~12%[2]。廣義將焦油產(chǎn)率大于7%的煤定義為富油煤。富油煤中不穩(wěn)定化學(xué)結(jié)構(gòu)是在低溫(300~600℃)熱解下可轉(zhuǎn)化為油氣資源的煤主要結(jié)構(gòu),是評價煤基油氣資源潛力的關(guān)鍵要素,富油煤結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確預(yù)測是目前亟待解決的關(guān)鍵問題之一。本文從宏觀密度出發(fā),分析不同密度下富油煤的微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu),旨在探討富油煤微觀結(jié)構(gòu)的密度響應(yīng)特征。

        1 樣品采集與處理

        1.1 樣品采集

        樣品采自陜北侏羅紀(jì)煤田,研究區(qū)內(nèi)地層由老至新依次有[3,4]:三疊系上統(tǒng)永坪組(T3y),侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)、新近系上新統(tǒng)保德組(N2b),第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2l),第四系上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Q3s)和馬蘭組(Q3m),第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙(Q4eol)和沖積層(Q4al),其中延安組為本區(qū)含煤地層,垂向?qū)有蚪Y(jié)構(gòu)明顯,自下而上劃分為五個中級旋回巖段,分別含5個煤組。

        1.2 樣品制備

        將樣品粉碎至過200目篩,并采用比重液是氯化鋅溶液(GB474)[5]對樣品分離,具體操作步驟如下:①在燒杯中配置一定相對密度的氯化鋅溶液(需加入適量的稀鹽酸);②將煤粉樣品倒入燒杯中,充分?jǐn)嚢柚脸浞只旌希儆贸暡ㄕ袷?~10分鐘;③靜置12小時,撈起浮煤;④按比重0.05的間隔配置氯化鋅溶液相對密度,重復(fù)上述步驟。

        1.3 紅外光譜分析

        紅外光譜法是根據(jù)分子振動和轉(zhuǎn)動反饋出的信息來鑒定有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分的技術(shù)。絕大多數(shù)有機(jī)質(zhì)的振動能級躍遷引起的吸收都出現(xiàn)在中紅外光譜區(qū),其吸收峰一般反應(yīng)基團(tuán)的伸縮振動,所以主要用于鑒定官能團(tuán)。

        可將煤的紅外光譜吸收峰歸為四類[6,7]:芳香烴結(jié)構(gòu)(700~900cm-1)、含氧、氮、硫官能團(tuán)(1000~1800cm-1)、脂肪官能團(tuán)(2800~3000cm-1)、羥基官能團(tuán)(3000~3600cm-1)。

        2 富油煤分子結(jié)構(gòu)分析

        2.1 芳香結(jié)構(gòu)吸收峰解析

        波數(shù)在700~900cm-1屬于指紋區(qū),由于各單鍵振動與C-H振動的相互作用,使得該區(qū)域的圖譜較復(fù)雜。該區(qū)大致有3個明顯的特征峰,分別位于波數(shù)為750cm-1、810cm-1、860cm-1左右(圖1)。

        圖1 芳香結(jié)構(gòu)分峰擬合:(a)~(f)的浮煤密度分別為1.2g/cm3、1.25g/cm3、1.28g/cm3、1.325g/cm3、1.47g/cm3、>1.47g/cm3

        各密度下苯環(huán)二取代與苯環(huán)三取代相對含量都很高,尤其在密度為1.2g/cm3時苯環(huán)二取代的含量異常高。單取代芳烴在各密度級下含量很少,呈現(xiàn)先升后降的趨勢;二取代芳烴隨密度增大總體呈上升趨勢;同樣,三取代芳烴含量起伏不大,但總體呈現(xiàn)一個增多的規(guī)律;四取代芳烴含量隨密度先增加,到密度為1.28g/cm3時達(dá)到最值,然后有緩慢下降;五取代芳烴除在密度為1.25g/cm3時含量異常高意外,其他密度級下含量變化不大,呈一個先升后降的趨勢,在密度等于1.47g/cm3時開始下降。

        2.2 脂肪吸收帶解析

        波數(shù)在2800~3000cm-1的吸收峰歸屬與脂肪結(jié)構(gòu)吸收帶。脂肪結(jié)構(gòu)的官能團(tuán)類型主要是-CH3、-CH2以及CH的伸縮振動(圖2)。

        圖2 脂肪結(jié)構(gòu)分峰擬合:(a)~(f)的浮煤密度分別為1.2g/cm3、1.25g/cm3、1.28g/cm3、1.325g/cm3、1.47g/cm3、>1.47g/cm3

        脂肪結(jié)構(gòu)中各官能團(tuán)隨密度增加的相對含量及趨勢見圖4.28。脂肪結(jié)構(gòu)較其他結(jié)構(gòu)來說,規(guī)律性明顯。脂肪結(jié)構(gòu)中存在歸屬不明確的官能團(tuán)種類,其含量大約在5%左右,趨勢平緩;對稱CH2、CH3的伸縮振動趨勢平緩,隨密度增大呈微緩的上升趨勢,不是很明顯;CH伸縮振動除密度等1.47g/cm3時異常低以外,整體呈上升趨勢;不對稱CH2、CH3的伸縮振動含量隨密度增大,先下降在上升,然后在密度大于1.47g/cm3時又下降。

        3 結(jié)論

        (1)陜北侏羅紀(jì)富油煤可以利用比重液(ZnCl2溶液)可以進(jìn)行不同密度分級,分級密度主要介于1.2~1.47g/cm3。

        (2)隨著密度級的增大,苯環(huán)結(jié)構(gòu)類型增多,含量增多。

        (3)隨著密度級的增大,脂肪結(jié)構(gòu)中的CH3-、CH2-含量的減少;脂肪結(jié)構(gòu)整體呈遞減規(guī)律。

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