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新庄矿不粘煤分子模型构建及模拟研究
1
作者 杨宝伟 刘扬 +4 位作者 李永元 崇立国 栗磊 梁辉 苏嘉豪 《化学研究与应用》 北大核心 2025年第9期2625-2633,共9页
从分子级层面认识煤微观结构对实现煤炭合理利用及煤层灾害治理具有重要意义。以不粘煤为研究对象,通过工业/元素分析、X射线光电子能谱和核磁共振碳谱测试方法对煤微观结构进行表征分析,结果表明:煤的碳结构以芳香碳为主,氮和硫的赋存... 从分子级层面认识煤微观结构对实现煤炭合理利用及煤层灾害治理具有重要意义。以不粘煤为研究对象,通过工业/元素分析、X射线光电子能谱和核磁共振碳谱测试方法对煤微观结构进行表征分析,结果表明:煤的碳结构以芳香碳为主,氮和硫的赋存状态以吡啶氮、吡咯氮和硫醇、硫醚为主,氧结构的赋存状态以C=O为主,根据煤微观结构参数表征信息,构建不粘煤分子结构模型(C_(219)H_(161)N_(3)O_(25))。使用密度泛函(DFT)方法对煤分子的表面静电势、轨道能级和福井函数进行了分析,结果表明:煤中含氧官能团和含氮官能团的负静电势强于芳香环,HOMO和LUMO能级轨道分布在煤分子的不同芳香环边缘区域,煤中氧原子的自由基反应活性普遍高比氮原子,吡啶氮的自由基反应活性高于吡咯氮。 展开更多
关键词 煤微观结构 煤分子模型 静电势 能级轨道 福井函数
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内蒙古铁北煤矿褐煤的CO_(2)/CH_(4)/N_(2)竞争吸附微观特性研究 被引量：3
2
作者 贾进章 肖聆伊 《煤炭转化》 CAS CSCD 北大核心 2024年第5期10-23,共14页
为研究煤对CO_(2),CH_(4)和N_(2)混合气体的竞争吸附特性及微观机理,以内蒙古铁北煤矿褐煤为研究对象,基于元素分析、固体^(13)C核磁共振光谱(^(13)C NMR)分析、傅立叶红外光谱(FTIR)分析、X射线光电子能谱(XPS)分析和X射线衍射(XRD)分... 为研究煤对CO_(2),CH_(4)和N_(2)混合气体的竞争吸附特性及微观机理,以内蒙古铁北煤矿褐煤为研究对象,基于元素分析、固体^(13)C核磁共振光谱(^(13)C NMR)分析、傅立叶红外光谱(FTIR)分析、X射线光电子能谱(XPS)分析和X射线衍射(XRD)分析等实验分析结果构建了铁北煤矿褐煤大分子结构模型,并进行了CO_(2),CH_(4)和N_(2)在铁北煤矿褐煤分子结构模型中吸附行为的分子模拟以及不同体积比CO_(2)/CH_(4)和CH_(4)/N_(2)二元组分混合气体竞争吸附行为的分子模拟。结果表明:铁北煤矿褐煤的芳碳率为51.98%,芳香结构主要以苯和萘为主,氧元素存在于酚、醚、羰基和羧基中,含氮结构主要以吡咯和吡啶的形式存在,硫元素主要存在于噻吩硫中,芳烃取代方式主要为三取代形式,芳香桥碳与周碳的数量比X_(BP)为0.14。铁北煤矿褐煤大分子结构模型的分子式为C_(190)H_(200)O_(57)N_(2)。单组分气体CO_(2)/CH_(4)/N_(2)的吸附量和等量吸附热均随温度的升高而减小,温度升高对CO_(2)吸附量和等量吸附热的影响最大,对CH_(4)吸附量和等量吸附热的影响次之,对N_(2)吸附量和等量吸附热的影响最小。在CO_(2)/CH_(4)和CH_(4)/N_(2)混合气体中,单组分气体的分压越大,该气体吸附量越大。CH_(4)与CO_(2)的等量吸附热差值大于CH_(4)与N_(2)的等量吸附热差值。 展开更多
关键词 煤分子模型 竞争吸附 吸附热 分子模拟 吸附量
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煤层气中甲烷扩散及水锁效应的分子动力学研究 被引量：10
3
作者 黄林岗 林凌 罗文嘉 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第11期4124-4134,共11页
煤层气的开采效率受到很多因素影响,煤层开采过程注入的压裂液及煤层中自生的液态水常常会阻碍煤层气的扩散及开采,形成水锁效应,但其成因、机理以及缓解方法仍不完全清楚,也是目前研究的热点。基于大规模、可扩展、可准确反映煤层化学... 煤层气的开采效率受到很多因素影响,煤层开采过程注入的压裂液及煤层中自生的液态水常常会阻碍煤层气的扩散及开采,形成水锁效应,但其成因、机理以及缓解方法仍不完全清楚,也是目前研究的热点。基于大规模、可扩展、可准确反映煤层化学结构的分子模型,通过采用分子动力学方法,在微观尺度模拟了在煤层微孔隙中,甲烷在受到水膜阻碍的情况下,水气两相的流动规律。定量计算了水膜厚度、孔径、储层压力、压差等因素对甲烷及水膜运移速度的影响。结果表明,水的存在会极大地阻碍甲烷的扩散,即造成水锁效应;煤层中的孔径大小及流动压差也会影响甲烷/水的两相流动速率,较大的孔径及较高的压差都有利于甲烷和水的流动。通过对水膜在运移过程中发生的结构变化的分析,对水锁效应出现及消失的规律进行了探究。在大孔径及较厚水膜的条件下,水相可在流动过程中保持完整的连续相,完全封闭煤层中的孔隙,造成水锁效应。而在水膜较薄或孔径较小时,水分子与煤层之间的相互作用力使得水相更容易破裂为多个水分子团簇,并与甲烷气相混合,从而缓解水锁效应。通过纳米尺度的分子模型定量分析了煤层孔径、压差、水膜厚度等因素对水锁效应的影响规律,表明减弱水分子之间并增强水分子与煤层之间的相互作用可能有利于缓解水锁效应。此项研究可以为进一步理解水锁效应机理、提高煤层气开采效率提供启示。 展开更多
关键词 煤层气 分子动力学 水锁效应 煤分子模型 扩散
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内蒙五牧场矿区11号煤层原煤大分子结构特征及其形成机制 被引量：12
4
作者 张莉 曾凡桂 相建华 《燃料化学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第11期1294-1302,共9页
在对内蒙古自治区呼伦贝尔市伊敏盆地五牧场区11号煤层原煤工业分析、元素分析、13C-NMR、FT-IR、XPS等分析基础上,获得了煤大分子结构中碳骨架信息、脂肪结构以及含氧官能团类型及比例、氮原子的存在形式和比例等结构信息。以此为基础... 在对内蒙古自治区呼伦贝尔市伊敏盆地五牧场区11号煤层原煤工业分析、元素分析、13C-NMR、FT-IR、XPS等分析基础上,获得了煤大分子结构中碳骨架信息、脂肪结构以及含氧官能团类型及比例、氮原子的存在形式和比例等结构信息。以此为基础,构建了煤的大分子结构模型,并应用13C-NMR预测软件ACD/CNMR predictor对其进行了修正,获得与实验核磁共振谱图吻合较好的大分子结构模型。大分子结构的芳香结构单元以苯、萘、蒽、菲为芳香结构单元,数量分别是1、2、2、1,醚键、氢化芳环以及邻位亚甲基作为连接芳香结构的主要桥键;氧原子以酚羟基、羰基、羧基的形式存在,数量分别是7、3、2;氮原子分别以吡啶和吡咯的形式存在,甲基和脂肪短链分布在芳香单元的边缘。与相邻矿区的褐煤及相近变质程度的神东长焰煤的比较发现,其形成机制主要是在高温低压环境下,热演化过程中快速失去各种含氧官能团,导致短链脂肪类物质的形成,而低压环境则有利于热演化过程中形成的各种小分子物质逸散导致自由基的缩聚,形成较大的芳香结构单元,但是直链脂肪类物质的存在具有位阻效应,不利于芳香结构单元的定向排列,导致所谓的"化学成分成熟超前于其结构成熟"现象。 展开更多
关键词 五牧场 煤大分子结构模型 高温低压 超前芳香化作用 快速脱氧作用
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碱活化过硫酸钾溶液浸泡对焦煤润湿性及孔结构的影响 被引量：1
5
作者 戴俊 张宇桢 +2 位作者 杨娟 许雷斯 魏建平 《煤炭学报》 CSCD 北大核心 2024年第S2期1090-1103,共14页
为改善焦煤润湿性、探究煤样增润机理,采用煤样毛细反渗透实验优选碱活化的过硫酸钾溶液(AAP)组成,结合AAP浸泡实验前后煤样的红外光谱峰值拟合结果及煤样表面各官能团相对含量变化,使用MaterialsStudio软件的Sorption模块构建孔层状煤... 为改善焦煤润湿性、探究煤样增润机理,采用煤样毛细反渗透实验优选碱活化的过硫酸钾溶液(AAP)组成,结合AAP浸泡实验前后煤样的红外光谱峰值拟合结果及煤样表面各官能团相对含量变化,使用MaterialsStudio软件的Sorption模块构建孔层状煤分子结构模型,以此模拟水分子在煤表面的吸附状态,系统研究AAP浸泡对煤样表面接触角θ、反渗透高度、官能团含量变化、孔隙结构、瓦斯吸附常数及水分子在煤表面吸附状态的影响规律。结果表明:当过硫酸钾质量分数为1.5%、氢氧化钠质量分数为0.5%、温度为30℃时,AAP浸泡对焦煤煤样的润湿性改善最为显著,处理后煤样反渗透高度达10.3 cm,与煤样表面接触角θ由96.32°显著降低至48.51°(降幅达49.64%)的增润趋势相一致;AAP处理后焦煤煤样表面的OH—π和环羟基含量分别由9.22%、13.43%增至17.25%、24.39%,在各官能团中其含量改变最为显著,因OH—π和环羟基易与水分子形成氢键,故其含量增加有助于改善煤样润湿性;MS模拟显示AAP处理后水分子的平均吸附热由16.11 kJ/mol提升至19.57 kJ/mol,水分子吸附量由48.6 H_(2)O/晶胞提升至53 H_(2)O/晶胞,处理后煤样在较低压力下即可吸附大量水分子,该特性有利于提升矿井喷雾降尘和煤层注水增润效果。同时,AAP含有的SO_(4)^(·-)和·OH能氧化溶蚀煤中有机小分子相,使煤中原生的微小孔孔径变大、微小孔数量减少,最佳组成AAP处理后煤样的微小孔平均孔径增幅达44.64%、比表面积降幅达65.48%;瓦斯吸附常数a降幅为12.01%、b降幅为19.27%,即AAP浸泡在显著改善煤样润湿性的同时能有效降低甲烷吸附量,可为煤层注水降尘防突技术的发展提供理论借鉴。 展开更多
关键词 煤润湿性 毛细反渗透 红外峰值拟合 孔层状煤分子结构模型 增润机理
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基于ReaxFF的不黏煤燃烧过程中自由基及主要燃烧产物生成规律研究
6
作者 王银辉 《矿业安全与环保》 CAS 北大核心 2024年第4期80-89,共10页
为了探究不黏煤燃烧过程中自由基及主要燃烧产物生成规律,采用X射线光电子能谱(XPS)和核磁共振谱(^(13)C NMR)实验方法,对不黏煤进行表征分析,构建了分子式为C_(208)H_(199)O_(23)N_(3)S的不黏煤分子模型。在不同O_(2)分子数与温度条件... 为了探究不黏煤燃烧过程中自由基及主要燃烧产物生成规律,采用X射线光电子能谱(XPS)和核磁共振谱(^(13)C NMR)实验方法,对不黏煤进行表征分析,构建了分子式为C_(208)H_(199)O_(23)N_(3)S的不黏煤分子模型。在不同O_(2)分子数与温度条件下,应用反应分子动力学(ReaxFF MD)方法进行不黏煤的燃烧分子动力学模拟,探究其燃烧过程中自由基与主要产物的生成与消耗规律。研究结果表明:消耗OH自由基主要反应的总次数为1906次,消耗H自由基与O自由基的总次数分别为3733、2033次,提高温度和O_(2)分子数使得相对稳定的OH自由基产量峰值增幅更大,H自由基与O自由基的产量峰值增幅相对较小;消耗CO_(2)主要反应的总次数为1781次,低于消耗CO与H_(2)O主要反应总次数,提高温度和O_(2)分子数使得相对稳定的CO_(2)产量峰值增幅更大。提高O_(2)分子数对H_(2)O的产量峰值影响呈现先促进再抑制的趋势;H自由基、O自由基及OH自由基主要由小分子化合物或其他自由基发生分解反应生成。自由基聚合或小分子化合物分解反应是CO、CO_(2)及H_(2)O生成的主要路径。 展开更多
关键词 煤分子模型 ReaxFF MD 燃烧势能 自由基 煤燃烧产物
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