[发明专利]一种基于多种表征手段的煤分子模型建立方法

说明书

本发明提供一种基于多种表征手段的煤分子模型建立方法，其包括，(1)对煤样品进行工业分析、元素分析、¹³C‑NMR分析、FTIR吸收特性分析、表面结构特征分析、核磁共振分析、红外光谱分析；(2)建立煤的骨架结构和表面官能团之间的联系；(3)获得煤样品分子结构参数；(4)使用ACD/ChemSketch10.0软件构建煤样品的分子结构模型，本发明采用多种物理化学分析实验获得煤样品结构数据联合分析结果，通过¹³C‑NMR、FTIR和化学实验法等物理化学分析方法研究不同变质程度煤样品的分子组成结构，煤分子结构模型的建立对煤化工的发展具有里程碑的价值，对了解煤样品燃烧特性和提高燃烧效率也具有重要的参考意义。

技术领域

本发明涉及煤样品有机质组分结构和分布的表征技术，具体是一种基于多种表征手段的煤分子模型建立方法。

背景技术

煤是由多种物质聚集而成的复杂混合物，组成物质以有机物为主。其中有机物主要由C、H、O三种元素组成，同时含有少量的S、N等元素。煤在燃烧的过程中会产生大量含污染成分的排放物如烟尘、烟气和炉渣等，其中烟尘含有飞灰和炭粒等物体颗粒，烟气中除了CO₂、CO以外还包含SO₂和NO_X等有害气体，对自然环境和生态平衡造成严重的破坏。而这些污染物的排放主要是由于煤燃烧过程中一系列的化学反应导致煤分子结构中化学键断裂而形成。因而，精准构建煤分子结构模型，从微观层面上挖掘煤的热解、燃烧反应机理，对煤炭的高效清洁利用具有重要理论和现实意义。

近半个世纪以来，国内外煤化学相关学者致力于煤分子结构系统性的研究，将理论基础与现代物理分析手段结合得到有关煤的分子结构参数，为进一步研究煤分子结构模型提供可行性基础。由于煤分子组成的不唯一性和复杂性，煤结构中分子之间相互作用方式多样化，煤的分子结构依然缺乏系统全面的阐述。

随着基础物理学科和精密仪器的发展，现代物理分析仪器的可识别范围和精确度均得到显著提升。目前在煤分子结构领域用于表征化学结构特征和统计结构解析的有¹³C-NMR、FTIR、X射线(XRD)和HRTEM等物理仪器。物理研究方法具有对煤的化学结构破坏程度小，定量分析灵敏度高的优点，被广泛用于煤分子结构的研究。但是无论¹³C-NMR、FTIR还是XRD和HRTEM，都很难直接分析煤样品中不同有机组分的分布形式和相互结合方式。

发明内容

本发明为解决现有不同变质程度下煤样品的有机质结构组分和结构信息，提供了一种基于多种表征手段的煤分子模型建立方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案一种基于多种表征手段的煤分子模型建立方法，其包括以下步骤：(1)对煤进行工业分析、元素分析、¹³C-NMR分析、FTIR吸收特性分析、表面结构特征分析、核磁共振分析、红外光谱分析，获得煤的基础数据，利用所述基础数据获取煤的分析数据；(2)确定分子结构组成的百分比以及分子结构组成中质子化基团和非质子化基团的比例；(3)确定煤中脂肪碳的不饱和度、芳香碳的缩合度，并以整数计氮和硫的原子数，确定煤分子的化学结构和分子量；(4)利用分子模拟技术，使用ACD/ChemSketch10.0软件构建煤分子结构模型。

优选的，步骤(2)中，所述煤分子结构组成包括芳碳、羰基碳、芳香环碳、质子化芳香碳、非质子化芳香碳、酚羟基或醚氧连碳、烷基取代芳碳、芳香桥碳、总脂肪碳、季碳和-CH和-CH₂基团碳、甲基和芳甲基碳、氧连接脂碳中的一种或几种。

优选的，步骤(1)中，所述基础数据包括煤的灰分、水分、挥发分、C、H、O、N和S元素的含量数据，煤中¹³C的化学位移、子峰数量、子峰面积和煤表面结构表征图像。

优选的，步骤(1)中，所述分析数据包括煤的分子结构组成、原子比、表面官能团结构、表面官能团数量、表面官能团振动形式、芳核尺寸数据。