目前，控制二氧化碳排放是我国2030年实现碳达峰的关键挑战。哈尔滨工业大学孙绍增团队提出了煤基燃料-氧-水蒸气燃烧的近零排放发电系统 (Oxy-Coal Combustion Steam System of Near- Zero Emissions，OCCSS) ，该系统具有较高的净发电效率且在碳减排放方面具有广阔的前景。OCCSS系统对燃料要求比较高，对煤的灰分有严格的控制，需要制备脱灰煤。经过脱灰处理后，煤的有机质和化学结构都会发生一定程度的改变，使其反应性与原煤有较大差异。在前人研究的基础上，本文重点研究了六盘水原煤 (LPS-R) 和六盘水脱灰煤 (LPS-D) 的化学结构(特别是官能团和碳结构)、热解特征和热解动力学机理，旨在从分子结构层面更好地阐明酸洗脱灰对六盘水煤热解反应性的影响。相关成果以“Effect of demineralization on pyrolysis characteristics of LPS coal based on its chemical structure”为题发表在International Journal of Coal Science & Technology，https://doi.org/10.1007/s40789-023-00576-7或点击文末“阅读原文”）。
把六盘水 (LPS) 煤中键能不同的键与DTG分峰结果相关联，可以解耦出酸洗前后煤化学键的变化情况。其中峰1为结合水释放和羧酸分解形成，根据FTIR分析酸处理后羧酸的比例增加了13.04%，LPS-D峰1的面积增加了4.56%；峰2、3、4为主要的有机脱挥发峰，其中其中LPS-R和LPS-D的峰3分别占65.43%和65.59%，表明LPS煤的热解失重主要源于脂肪族共价键的裂解；峰5主要由碳酸盐分解引起，酸处理后在LPS-D中消失；峰6与芳香环的缩聚有关，LPS-D峰6的峰值温度比LPS-R低100℃左右，峰面积比LPS-R大3.33%，这是由于酸处理促进了LPS煤芳香族结构的缩聚，并导致挥发物提前释放。
图1 LPS-R和LPS-D的DTG分峰拟合曲线
图2 不同转化率下LPS-R和LPS-D热解表观活化能
当α<0.3时，由于LPS-D的脂肪族含有更多的甲基碳和亚甲基碳，键能较低的化学键在低温下容易分解，LPS-D表观活化能较低；当0.3≤α≤0.4时，酸洗前后LPS煤的表观活化能相同；当α>0.4时，热解实验分析表明，酸处理后LPS煤的稳定性提高，LPS-D热解过程中化学键的断裂需要更高的表观活化能；当α=0.65时，LPS-R和LPS-D的活化能显著增加，表明具有高键能的芳香桥头碳和质子化芳碳等稳定结构在高温下开始破坏。由于酸处理后，芳香桥头碳和质子化芳碳的含量分别增加了5.40%和5.87%，LPS-D的表观活化能比LPS-R高约300 kJ/mol。
煤基燃料-氧-水蒸气燃烧的近零排放系统采用脱灰煤为原料，在高压燃烧室中与纯氧和水蒸气进行反应，本文工作是基于N2还原气氛下的煤热解过程，后续可以进一步开展加压和水氧气氛下燃烧等研究。
郭飞强，中国矿业大学低碳能源与动力工程学院教授。主要研究煤/生物质热解气化、新型碳基电池材料合成、多孔材料制备与吸附特性、固体废弃物的转化治理等方向。先后主持国家自然科学基金面上项目1项、国家自然科学基金青年项目1项、宁夏重点研发项目子课题1项，中国国家博士后基金1项、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目3项、中国矿业大学人才引进项目1项和中国矿业大学青年教师“启航计划”项目1项。围绕相关研究，近年来第一和通讯作者累计发表SCI/EI论文70余篇，授权发明专利8项，撰写专著1部，担任Energy、Fuel、Energy & Fuels, Energy Conversion and Management等二十余种SCI期刊杂志的审稿人。
钱琳，中国矿业大学讲师，硕士生导师。主要从事流动、传热、燃烧数值模拟研究；清洁燃料热利用与污染物控制机理研究。
引用格式： Qian, L., Xue, J., Tao, C. et al. Effect of demineralization on pyrolysis characteristics of LPS coal based on its chemical structure. Int J Coal Sci Technol 10, 21 (2023). https://doi.org/10.1007/s40789-023-00576-7
