煤原位热解挥发分的表征应用

前言：

煤的热解过程是煤炭高效清洁利用的重要环节，其挥发分的组成和释放特性直接影响后续转化效率和产物分布。传统热分析方法难以实时监测复杂挥发分组成，而原位催化质谱仪（EI/PI-TOFMS）具有高灵敏度、高分辨率和宽质量检测范围的优点，是研究煤热化学转化的一种有效技术手段。本研究采用原位催化质谱仪（EI/PI-TOFMS）实时监测升温热解产物，为煤热解机理的研究提供了可靠数据支持，有助于优化热解工艺参数，提升产物选择性。

实验材料和方法：

仪器：ProC-1原位催化质谱仪

载气：N2

气体流量：100 sccm

样品：原煤

样品量：60 mg

单次采谱时间：30 s

实验温度：室温~1100℃

升温速率：10℃/min

结果和结论

氮气氛围下（100sccm），煤热解产物的释放具有明显的阶段性特征，温度显著影响挥发分组成，300~600℃是热解产物的主要释放区间，最大逸出峰温度为408℃（图2）。

主要热解产物可分为烃类化合物、含氧化合物、含氮化合物和含硫化合物，根据已有文献分别对相对含量靠前的5种化合物进行了识别。

热解产物中的烃类化合物包括脂肪烃和芳烃。相对含量靠前的5种烃类化合物，分别为m/z=56（C₄H₈）、m/z=70（C₅H₁₀）、m/z=78（C₆H₆）、m/z=106（C₈H₁₀）、m/z=120（C₉H₁₂），烃类代表化合物的相对含量最高（图3），其随温度的逸出曲线如图4所示。

煤热解产生的含氧化合物包括酚类和氧杂环化合物。相对含量靠前的5种含氧化合物，分别为m/z=94（C₆H₆O）、m/z=108（C₇H₈O）、m/z=122（C₈H₁₀O）、m/z=124（C₇H₈O₂）、m/z=144（C₁₀H₈O），含氧代表化合物的相对含量较高，仅次于烃类（图3），其随温度的逸出曲线如图5所示。

煤热解产生的含氮化合物包括萘腈和氮杂环（吡咯、吡啶和喹啉类）。相对含量靠前的5种的含氮化合物，分别为m/z=81（C₅H₇N）、m/z=93（C₆H₇N）、m/z=95（C₆H₉N）、m/z=107（C₇H₉N）、m/z=121（C₈H₁₁N），含氮代表化合物的相对含量较低（图3），其随温度的逸出曲线如图6所示。

含硫化合物主要是硫杂环（噻吩、硫茚和硫芴类）等。相对含量靠前的5种的含硫化合物，分别为m/z=84（C₄H₄S）、m/z=98（C₅H₆S）、m/z=112（C₆H₈S）、m/z=134（C₈H₆S）、m/z=148（C₉H₈S），含氧代表化合物的相对含量如图3所示，其随温度的逸出曲线如图7所示。

ProC-1原位催化质谱仪的原位热解-飞行时间质谱系统很好地实现了煤热解过程中初级产物的原位检测与表征。通过半定量分析可获得产物的相对含量，通过对选定产物信号进行分析可获得其离子流强度随温度的变化曲线。通过认识产物逸出规律对热解过程调控及工艺技术开发具有重要意义。

参考文献

[1] Yu G, Fan X, Liang P,et al.Online characterization of pyrolysis products and kinetics study for the pyrolysis of a coal [J]. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2021, 160:105376.

[2] Miao Z, Wan Y, He Q,et al. Pyrolysis behaviors and product

distribution of Shengli Lignite at different heating rate and final

temperature by TG-FTIR and Py-GC-MS[J].Energy Sources Part A Recovery Utilization and Environmental Effects, 2019(10):1-13.