低阶煤氧化自燃过程中的官能团变化特性

低阶煤中含氧官能团干燥前后的演变规律赵孟浩;张守玉;郑红俊;董建勋;邓文祥;唐文蛟;侯宝鑫;涂圣康;金涛【摘要】采用傅里叶红外光谱法对经不同干燥过程前后低阶煤中官能团进行研究,基于拟合处理方法分析了煤中主要官能团在干燥过程中的变化规律.结果表明,在低温干燥和高温干燥过程中,随干燥温度的增加,低阶煤中主要官能团均呈现先减少后增加的趋势.当低温干燥温度超过190℃,高温干燥温度超过600℃时,煤中主要官能团增多,表明该煤被严重氧化.在模拟烟气干燥过程中,亚甲基是低阶煤脂肪烃结构中最易被氧化的部分,烟气中含氧量越高,煤受氧气氧化作用越强.在高温600℃模拟烟气干燥过程中,干燥介质中的氧气主要氧化煤分子结构中的芳香烃,干燥后低阶煤的自燃倾向性最弱,不易发生复吸现象.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2016(041)002【总页数】7页(P483-489)【关键词】低阶煤;干燥;傅里叶红外;官能团【作者】赵孟浩;张守玉;郑红俊;董建勋;邓文祥;唐文蛟;侯宝鑫;涂圣康;金涛【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;中电投蒙东能源集团有限责任公司,内蒙古通辽028000;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TQ536我国低阶煤资源十分丰富,占全国煤炭储量的46%左右,具有含水量高、含氧量高、挥发分高、发热量低、容易自燃等特点。

低阶煤多为动力用煤,主要用于坑口电厂发电。

但因其水分高,直接用于燃烧发电可导致锅炉火焰温度偏低、燃烬困难、热效率低等问题[1-3],因此,有必要在利用之前对其进行干燥提质处理。

低阶煤低温干燥官能团的演变赵孟浩;张守玉;郑红俊;董建勋;李尤;侯宝鑫;涂圣康;金涛;丁艳军【摘要】利用傅立叶红外对低温干燥前后低阶煤中官能团的演变进行了研究,并通过红外谱图的峰面积曲线拟合处理,分析了低阶煤中各官能团在干燥过程中的变化规律及干燥后低阶煤性质的演变.结果表明,在干燥过程中,随着温度的增加,脂肪族结构逐渐消失,脂肪侧链中亚甲基官能团比甲基官能团活泼,在干燥过程中最先被氧化;含氧官能团羧基、羟基、羰基及醚键含量均呈现降低趋势,其中羧基反应活性最好,其含量降低的速度最快,羰基性质最为稳定,其含量变化最为缓慢;芳香环C=C先增加后减少,伊敏煤中C=C在230℃时开始分解,天池能源煤中C=C在190℃时已开始大量分解.研究表明,在低温干燥过程中低阶煤的变质程度有所增加,可在一定程度上提高其煤阶.【期刊名称】《煤炭转化》【年(卷),期】2016(039)002【总页数】6页(P1-5,19)【关键词】低阶煤;低温干燥;傅立叶红外;官能团【作者】赵孟浩;张守玉;郑红俊;董建勋;李尤;侯宝鑫;涂圣康;金涛;丁艳军【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,200093 上海;上海理工大学能源与动力工程学院,200093 上海;上海理工大学能源与动力工程学院,200093 上海;中电投蒙东能源集团有限责任公司,028000 内蒙古通辽;上海理工大学能源与动力工程学院,200093 上海;上海理工大学能源与动力工程学院,200093 上海;上海理工大学能源与动力工程学院,200093 上海;上海理工大学能源与动力工程学院,200093 上海;清华大学热能工程系,100084 北京【正文语种】中文【中图分类】TQ028.6+3;TQ530褐煤和低变质烟煤等低阶煤资源储量丰富，占我国煤炭储量及煤炭产量的50%以上，具有含水量高、含氧量高、挥发分高、发热量低和容易自燃等特点.低阶煤多为动力用煤，主要用于坑口电厂发电.但因其水分高，直接用于燃烧发电可导致锅炉火焰温度偏低、燃尽困难和热效率低［1-3］，因此，有必要在利用之前对其进行干燥提质处理.低阶煤中官能团的种类和数量会影响煤的物理化学性质，如大量亲水性含氧官能团是导致低阶煤高水分的一个重要原因.［4-5］傅立叶红外光谱法（Fourier-transform infrared，FTIR）作为一种灵敏而有效的分析技术，在研究煤的显微组分和煤岩中煤的化学结构时，可确定煤中有机质的成熟度及划分煤的类型等.［6-9］FTIR光谱是由成键原子的能量跃迁引起的，不同的吸收波段或特征吸收峰对应着煤中不同的官能团结构. PAINTER et al［10-11］列出了煤中主要官能团的的红外光谱吸收峰及其归属，并对羧基特征吸收峰进行了分峰拟合；TAHMASEBI et al［12］采用FTIR技术研究氮气干燥过程中褐煤化学结构的变化情况；葛岭梅等［13］运用FTIR和分峰拟合技术，并结合红外差减光谱对煤在低温氧化过程中官能团随温度的变化趋势进行了研究；杨晓毓等［14］采用红外光谱法确定褐煤中含氧官能团的种类，并分析了干燥前后褐煤表面含氧官能团的变化.本实验利用FTIR获得两种不同低阶煤原煤以及经过不同干燥处理后煤样的红外光谱，通过分析确定干燥前后煤中主要官能团的演变情况，了解干燥前后低阶煤性质的演变规律，为深入了解低阶煤低温干燥提质工艺的应用提供一定的理论参考. 1.1原料及制备选用伊敏褐煤（YM）和天池能源次烟煤（TC）作为实验煤样，破碎筛分原煤样品，得到3mm～25mm粒径煤颗粒，进行低温干燥实验.将经过不同干燥条件处理后的煤样分别研磨至0.15mm以下，冲氮封存备用.两种原煤样品的工业分析与元素分析结果见第2页表1.1.2干燥实验实验干燥装置采用自行设计的卧式固定床反应装置（见图1）.选用氮气作为干燥介质，干燥温度分别为140℃，190℃和230℃.当反应炉中温度达到设定条件后，迅速将盛放样品的操作杆插入主反应器中，停留10min后迅速将操作杆抽至冷却部位，待样品在氮气保护下冷却至室温后取出封存备用.1.3FTIR分析实验FTIR分析采用美国Thermo Fisher公司生产的Nicolet 6700型傅立叶红外光谱仪，溴化钾（KBr）压片法制样，分别称量干燥处理后溴化钾与实验煤样以150∶1的质量配比放入玛瑙研钵中充分研磨，将均匀混合的样品压制成透明薄片，用样品架固定薄片，置于样品室中进行测试.光谱仪分辨率为4cm-1，测定范围为4 000cm-1～400cm-1，累加扫描次数32次，对所得谱线进行基线校正以消除颗粒散射的影响.2.1FTIR谱图分析图2为伊敏原煤、天池能源原煤以及经过不同干燥温度处理后煤样的红外光谱.由图2可以看出，变化明显的光谱带主要发生在3 600cm-1～3 000 cm-1（羟基吸收峰）、3 000cm-1～2 800cm-1（脂肪烃吸收峰）、1 800cm-1～1 000cm-1（含氧官能团吸收峰）和900cm-1～700cm-1（芳香烃吸收峰）.两种煤样谱线的走势大体相同，说明两种煤中含有类似官能团.煤化学性质的复杂性往往会使FTIR谱中谱带之间发生严重的重叠，为使相互干扰的谱带得到分离，本研究以其二阶导数光谱和退卷积光谱作为引导，对所得光谱进行分峰拟合处理.［1516］对伊敏原煤3 000cm-1～2 800cm-1光谱段进行分峰拟合，结果见图3.2.2参数选择为了消除样品厚度和测定时间等因素对红外光谱的影响，采用峰强比（峰面积或峰高度之比）来表征煤中结构组成特征及其变化.［17］因此本实验选取以下三种红外光谱参数对煤中大分子结构的变化进行分析.［12，16，18］相关参数计算结果见表2.2.2.1 脂氢与芳氢式中：λ（Hal）和λ（Har）分别表示脂氢和芳氢的吸光度；Aar和Aal分别为芳氢（900cm-1～700cm-1）和脂氢（3 000cm-1～2 700cm-1）波段内吸光度的积分面积；aar和aal（消光系数）用于将吸光度积分面积转化为浓度.对于低阶煤来说，aar取541cm-1，aal取710cm-1.2.2.2 脂肪链参数CH3/CH2：A2955cm-1/A2920cm-1（A为相对峰面积）表征脂肪链长度.此值越大，脂肪链越长.波数2 955cm-1处吸收峰是由于环烷烃及脂肪烃中甲基（CH3）反对称伸缩振动引起的.而波数2 920cm-1则对应环烷烃及芳香烃中亚甲基（CH2）反对称伸缩.2.2.3 有机质成熟度表征煤中有机质成熟度的指标，一般随着煤变质程度的增大而增大.波数1605cm-1处是由于芳香烃 C C的振动引起的，波数1 706cm-1则对应不饱和羧酸 C O的伸缩振动.2.3脂肪族结构变化脂肪族结构的变化主要表现为3 000cm-1～2 800cm-1光谱段上C—H的振动.由图2a可以看出，随着干燥温度的增加，伊敏煤的脂肪族结构呈现逐渐减少的趋势，主要是由位于环烷烃和脂肪族中侧链和端点部位的CH3和CH2发生断裂引起的.［15］由表2可以看出，随着干燥温度的增加，伊敏煤中的脂肪链参数呈现逐渐增加的趋势，结合图2与表2可知，CH3/CH2逐渐增加是因为在干燥过程中，CH2最先被氧化，脂肪链结构不断缩合，芳构化逐渐增大，煤变质程度加深；此外，芳氢和脂氢作为煤大分子网络的主体构架，能够反映出反应性等煤的性质.［19］由表2可知，随着干燥温度的增加，伊敏煤的Hal和Har均呈现逐渐减少的趋势，而λ（Har）/λ（Hal）表现为先增大后减小趋势，说明在干燥过程中，煤中的脂肪族结构和芳香族结构均会减少，当温度低于190℃时，大量的脂肪族结构转化为芳香族结构，使芳香族结构减少缓慢，Hal和Har的比例增加，当温度超过190℃时，芳香族结构开始断裂，使Hal和Har比例减少.结合图2与表2可知，随着干燥温度的增加，天池能源煤脂肪族结构以及芳氢和脂氢的变化趋势与伊敏煤相似，都呈现逐渐减少的趋势，但两种低阶煤的结构变化情况仍有不同.对比图2a与图2b可知，天池能源煤的脂肪族结构含量普遍比伊敏煤的低，这是因为天池能源煤的煤化程度比伊敏煤高，煤化过程中煤大分子结构芳构化使煤大分子中脂肪族结构减少，芳香族结构增加.［13］此外，天池能源煤CH3/CH2参数的变化趋势与伊敏煤相比也有所不同.在干燥温度为140℃时，天池能源煤CH3/CH2参数达到最大值，温度达到190℃后，参数开始减小.天池能源煤的CH3/CH2参数在190℃后呈现减小趋势，说明随着干燥温度的增加，CH3也开始大量减少，脂肪链变短，脂肪烃含量明显减少.这与段春雷等［18］得出中等变质程度煤中脂肪链较长的结论相符.以上结果说明了低温干燥过程可以在一定程度上提高“煤阶”.［20］2.4含氧官能团结构变化低阶煤大分子结构中主要存在羟基（—OH）、羧基（—COOH）、羰基（ C O）和醚键（—O—）四种含氧官能团.由图2可知，随着干燥温度的增加，两种低阶煤在3 600cm-1～3 000cm-1波段上的羟基吸收峰均呈现降低趋势.—OH是影响煤阶与反应性一个非常重要的官能团，但由于KBr易吸水使得压片样本吸附空气中微量水分，FITR谱中只能观察到一个以3 400cm-1为中心的宽峰，对应结构为自由缔结的羟基形成的氢键.［16，21］因此，采用分峰拟合技术对不同类型的—OH进行区分，排除水分在3 400cm-1处吸收造成的影响.低阶煤中—OH主要以酚羟基的形式存在，由于红外光谱中3 200 cm-1处的吸收强度与酚羟基含量呈线性关系，因此选用3 200cm-1处吸收峰强度代表酚羟基含量来表征—OH.［9］第4页图4为煤中—OH，—COOH， C O以及 C C的吸收峰面积随干燥温度的变化曲线.由图4可知，两种低阶煤中的官能团随着干燥温度的变化趋势大体一样.—OH，—COOH和 C O随干燥温度的增加而减小，表明在氮气干燥过程中，煤中的含氧官能团会逐渐消失.其中，—COOH变化最大，这是因为—COOH比较活泼，易与—OH反应生成羧酸酯，且还会发生自催化脱羧反应； C O则变化最为平缓，说明其性质相对稳定.［12，22］醚键的吸收峰主要出现在1 330cm-1～1 110cm-1波段上，由图2可以看出，随着干燥温度的增加，伊敏煤中醚键的吸收峰明显减小，天池能源原煤在1 330 cm-1～1 110cm-1波段上出现微弱的醚键吸收峰，经干燥处理后，醚键的吸收峰基本消失.从上述分析可知，醚键是芳香环缩合的重要节点，煤的芳香度随着煤质变化程度的加深而增加.［2324］2.5芳香族结构变化芳香烃结构变化主要表现为低波带900cm-1～700cm-1处C—H面外变形振动和中波带1 600 cm-1处芳香环 C C的伸缩振动.由图2可以看出，随着干燥温度的增加，两种低阶煤在900cm-1～700 cm-1上的吸收峰均呈现逐渐减小的趋势，其中伊敏煤在230℃时明显减小，天池能源煤则在190℃时明显减小.由图4可以看出，两种低阶煤的芳香环C C的吸收峰面积均表现出先增加后减小的趋势，这是因为在低温干燥过程中，脂肪链缩合形成较为稳定的芳香环，使得 C C增加.随着温度继续升高， C C开始发生断裂，且此时脂肪族结构也大量减少，使得 C C也相应减少，因此造成 C C含量逐渐减小.［1214］低阶煤的种类不同， C C的具体变化也有区别，伊敏煤在干燥温度为230℃时 C C明显减少，而天池能源煤在190℃时 C C已开始大量减少；此外，由表2可以看出，随着干燥温度的增加，两种低阶煤的Car/（ C O+Car）参数均为先增加后减小，表明在干燥过程中，煤的变质程度有所增加，但当干燥温度超过190℃时，煤中的 C C大量分解，使得Car/（ C O+Car）减小，这一实验结果与前文一致.1）在干燥过程中，随着干燥温度的增加，煤中脂肪族结构逐渐减小，伊敏煤中CH3/CH2逐渐增大，天池能源煤中CH3/CH2先增大后减小，表明脂肪链中亚甲基比甲基活泼，在干燥过程中最先被氧化.2）煤中含氧官能团羧基、羟基、羰基及醚键的含量均呈现降低趋势，其中羧基反应活性最好，其含量降低的速度最快，羰基性质最为稳定，其含量变化最为缓慢. 3）醚键是芳环缩合的重要节点，且煤的芳香度随着煤质变化程度的加深而增加；煤中芳香环 C C先增加后减小，伊敏煤中 C C在230℃时明显减少，天池能源煤中 C C在190℃时已开始大量减少.4）在低温干燥过程中，随着温度的增加，煤的变质程度有所增加，低温干燥可在一定程度上提高“煤阶”.【相关文献】［1］刘振强，苗文华，白中华.褐煤低温改质过程中的换热特性［J］.煤炭转化，2009，32（4）：17-19. LIU Zhenqiang，MIAO Wenhua，BAI Zhonghua.Heat Exchange Characteristic of Lignite During Upgrading Process with Low Temperature［J］.Coal Conversion，2009，32（4）：17-19.［2］王秀军，张守玉，彭定茂，等.多孔介质干燥机理在褐煤热力脱水中的应用［J］.煤炭转化，2011，34（1）：82-86. WANG Xiujun，ZHANG Shouyu，PENG Dingmao，etal.Application of the Drying Mechanism of Porous Media in the Thermal Dehydrationfor Lignite［J］.Coal Conversion，2011，34（1）：82-86.［3］ ZHENG Hongjun，ZHANG Shouyu，GUO Xi，etal.An Experimental Study on the Drying Kinetics of Lignite in High Temperature Nitrogen Atmosphere［J］.Fuel Processing Technology，2014，126（10）：259-265.［4］ Li C Z，SATHE C，KERSHAW J R，etal.Fates and Roles of Alkali and Alkaline Earth Metals During the Pyrolysis of a Victorian Brown Coal［J］.Fuel，2000，79（3）：427-438.［5］肖武，余江龙，韩艳娜.褐煤含氧官能团对褐煤中水分特性的影响［J］.煤炭转化，2014，37（4）：1-4. XIAO Wu，YU Jianglong，HAN Yanna.Effects of Oxygen Functional Groups on the Moisture Characteristics of Lignite［J］. Coal Conversion，2014，37（4）：1-4. ［6］董庆年，靳国强，陈学艺.红外发射光谱法用于煤化学研究［J］.燃料化学学报，2000，28（2）：138-141. DONG Qingnian，JIN Guoqiang，CHEN Xueyi.FT-IR Emission Spectroscopy for Studies on Coal Chemical Reaction［J］.Journal of Fuel Chemistry and Technology，2000，28（2）：138-141.［7］ MURATTA S，HOSOKAWA M，KIDENA K，etal.Analysis of Oxygen-functional Groups in Brown Coals［J］.Fuel Processing Technology，2000，67（3）：231-243.［8］李先春，王丽娜，韩艳娜，等.干燥褐煤的FTIR分析及热解实验研究［J］.煤炭转化，2014，37（4）：17-21. LI Xianchun，WANG Li'na，HAN Yanna，etal.Experimental Study on FTIR and Pyrolysis of Drying Lignite［J］.Coal Conversion，2014，37（4）：17-21.［9］朱学栋，朱子彬，韩崇家，等.煤中含氧官能团的红外光谱定量分析［J］.燃料化学学报，1999，27（4）：335-339. ZHU Xuedong，ZHU Zibin，HAN Chongjia，etal.Quantitative Determination of Oxygen-containing Functional Groups in Coal by FTIR Spectroscopy ［J］.Journal of Fuel Chemistry and Technology，1999，27（4）：335-339.［10］ PAINTER P C，SNYDER R W，STARSINIC M，etal.Concerning the Application of FTIR to the Study of Coal：a Critical Assessment of Band Assignments and the Application of Spectral Analysis Programs［J］.Applied Spectroscopy，1981，35（5）：475-485. ［11］ PAINTER P C，STARSINIC M，SQUIRES E，etal.Concerning the 1 600cm-1Regionin the IR Spectrum of Coal［J］.Fuel，1983，62（6）：742-744.［12］ TAHMASEBI Arash，YU Jianglong，HAN Yanna，etal.A Study of Chemical Structure Changes of Chinese Lignite During Fluidized-bed Drying in Nitrogen and Air ［J］.Fuel Processing Technology，2012，101（22）：85-93.［13］葛岭梅，李建伟.神府煤低温氧化过程中官能团结构演变［J］.西安科技学院学报，2003，23（2）：187-190. GE Lingme，LI Jianwei.Evolution of Functional Groups in Low-temperature Oxidized Shenfu Coal［J］.Journal of Xi'an University of Science and Technology，2003，23（2）：187-190.［14］杨晓毓，姜英，邵徇，等.低温干燥对褐煤含氧基团及其吸水性能的影响［J］.煤炭转化，2015，38（2）：10-13. YANG Xiaoyu，JIANG Ying，SHAO Xun，etal.Effect of Low-temperature Drying on Lignite Oxygen-containing Functional Group and Moisture Absorption［J］.Coal Conversion，2015，38（2）：10-13.［15］辛海会，王德明，许涛，等.低阶煤低温热反应特性的原位红外研究［J］.煤炭学报，2011，36（9）：1528-1532. XIN Haihui，WANG Deming，XU Tao，etal.Thermal Reaction Characteristics of Low Rank Coal at Low-temperature by Insitu Infrared［J］.Journal of China Coal Society，2011，36（9）：1528-1532.［16］李庆钊，林柏泉，赵长遂，等.基于傅立叶红外光谱的高温煤焦表面化学结构特性分析［J］.中国电机工程学报，2011，31（32）：46-52. LI Qingzhao，LIN Baiquan，ZHAO Changsui，etal.Chemical Structure Analysis of Coal Char Surface Based on Fourier-transform Infrared Spectrometer［J］.Proceedings of the CSEE，2011，31（32）：46-52.［17］余海洋，孙旭光，焦宗福.华南晚二叠世“树皮体”显微傅立叶红外光谱（Micro-FTIR）特征及意义［J］.北京大学学报（自然科学版），2004，40（6）：879-885. YU Haiyang，SUN Xuguang，JIAO Zongfu.Characteristics and Implications of Micro-FTIR Spectroscopy of Barkinite from Upper Permian Coals，South China［J］.Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis，2004，40（6）：879-885.［18］段春雷.低中变质程度煤的结构特征及热解过程中甲烷、氢气的生成机理［D］.太原：太原理工大学，2007. DUAN Chunlei.Structural Characteristics of Low-middle Rank Coals and Generation Mechanisms of Methane and Hydrogen During Pyrolysis［D］.Taiyuan：Taiyuan University of Technology，2007.［19］冯杰，李文英，谢克昌.傅立叶红外光谱法对煤结构的研究［J］.中国矿业大学学报，2002，31（5）：362-366. FENG Jie，LI Wenying，XIE Kechang.Research on Coal Structure Using FT-IR［J］.Journal of China University of Mining and Technology，2002，31（5）：362-366.［20］陶建红.褐煤中含氧官能团的测定与研究［J］.河南化工，2010，27（4）：8-10. TAO Jianhong.Research and Measurement on Oxygen-containing Functional Groups in Brown Coal［J］.He'nan Chemical Industry，2010，27（4）：8-10.［21］陈茺，许学敏，高晋生，等.煤中氢键类型的研究［J］.燃料化学学报，1998，26（2）：140-144. CHEN Chong，XU Xuemin，GAO Jinsheng，etal.Type of Hydrogen Bonds in Coal［J］.Journal of Fuel Chemistry and Technology，1998，26（2）：140-144.［22］许涛，辛海会，王德明.加热作用对褐煤自燃过程影响的红外光谱研究［J］.煤炭工程，2012（3）：87-89. XU Tao，XIN Haihui，WANG Deming.Study on Heating Effect of Infrared Spectrum Affected to Lignite Spontaneous Combustion Process［J］.Coal Engineering，2012（3）：87-89.［23］ SOBKOWIAK M，REISSER E，GIVEN P，etal.Determination of Aromatic and Aliphatic CH Groups in Coal by FTIR（1）：Studies of Coal Extracts［J］.Fuel，1984，63（9）：1245-1252.［24］ REISSER B，STARSINIC M，SQUIRES E，etal.Determination of Aromatic andAliphatic CH Groups in Coal by FTIR（2）：Studies of Coals and Vitrinite Concentrates ［J］.Fuel，1984，63（9）：1253-1261.。

第二章煤的自燃及其特性煤自燃是煤矿生产中的主要自然灾害之一。

自十七世纪以来，人们就开始对煤的自燃现象进行研究，提出了解释煤自燃的多种假说，但由于煤的化学结构非常复杂，人们至今还不能完全阐述清楚煤的自燃机理。

尽管如此，人们仍在对煤的自燃机理孜孜探求。

近些年来通过对煤自燃的宏观特性（氧化产热量、产物和耗氧量）与煤自燃过程中微观结构（官能团、自由基）的变化特征的深入研究，对煤自燃的认识不断深入。

本章将较全面地介绍煤炭自燃研究方面的新进展，较深入地对煤自燃过程及影响因素进行分析，较系统地阐述煤在低温氧化过程中的自燃特性和煤自燃倾向性、自然发火期等的测试与确定方法。

第一节煤的基础特性煤的自燃特性是由其基础特性决定的。

在对煤的自燃特性进行研究之前，有必要了解一下煤的形成、分类、组成特点、热物理性质和表面特性等相关知识。

一、煤的形成及分类煤是由植物形成的。

根据成煤植物种类的不同，煤主要可分为两大类[1]，即腐殖煤和腐泥煤。

由高等植物形成的煤称为腐殖煤，它分布最广，储量最大；由低等植物和少量浮游生物形成的煤称为腐泥煤。

通常所讲的煤，就是指腐殖煤。

由高等植物转化为腐植煤要经历复杂而漫长的过程，一般需要几千万年到几亿年的时间。

转化次序是：植物、泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤。

整个成煤作用可划分为几个阶段：植物向泥炭转化作用过程，泥炭向褐煤的转化为成岩作用过程，褐煤向烟煤、无烟煤的转化成为变质作用过程，成岩作用和变质作用又合称为煤化作用过程。

中国煤炭分类[2]，首先按煤的干燥无灰基挥发分>37%、>10％、≤10%，将所有煤分为褐煤、烟煤和无烟煤。

然后烟煤又按挥发分>10%~20%、>20%~28%、＞28%~37%和>37%的四个阶段分为低、中、中高及高挥发分烟煤，同时还根据表征烟煤煤化程度的参数（粘结指数、胶质层最大厚度或奥亚膨胀度），将烟煤划分为长焰煤、不粘煤、弱粘煤、1/2中粘煤、气煤、气肥煤、1/3焦煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤和贫煤。

低变质煤热解过程官能团的演变及动力学分析近年来，能源紧缺问题成为全球范围内的头等大事，而煤炭作为传统的主要能源资源，依旧扮演着重要的角色。

然而，煤炭的燃烧会产生大量的二氧化碳和氮氧化物等有害物质，对环境和健康造成不行轻忽的影响。

因此，对低变质煤热解过程中官能团的演变及动力学分析具有重要的意义，可为缩减煤炭燃烧过程中的有害物质的产生提供理论依据。

低变质煤是指煤的变质程度较低的一类煤炭，其热解过程中官能团的演变是指官能团在热解温度下的转化和改变过程。

煤炭的热解过程可以分为两个主要阶段：干馏和焦化。

干馏是指煤在较低温度下，水分和挥发性物质逸出的过程。

在此过程中，低变质煤中的氧杂原子的含量和官能团的类型会发生变化。

焦化是指煤在高温条件下，进一步分解和转化为焦炭的过程。

在焦化过程中，官能团的类型和数量会进一步改变。

在低变质煤热解过程中，主要涉及的官能团包括羟基、羰基和羧基等。

羟基是含有羟基官能团的化合物，煤炭中的羟基主要来自细胞壁和细胞间质，是煤炭中的主要氢源。

羰基是含有羰基官能团的化合物，可以分为酮羰基和醛羰基两种类型。

羰基主要来自煤炭中的纤维素和半纤维素等有机物。

羧基是含有羧基官能团的化合物，主要来自煤炭中的纤维素和木质素等有机物。

低变质煤热解过程中官能团的演变是一个复杂的化学反应过程，受到多种因素的影响，包括热解温度、热解时间、煤样性质等。

热解温度是影响官能团演变的最主要因素之一。

随着温度的提高，煤炭中的官能团会发生热解分解反应，产生大量的挥发性物质和焦炭。

热解时间是另一个影响因素，较长的热解时间可以使官能团完全转化为挥发性物质和焦炭，从而缩减有害物质的产生。

不同煤样的性质也会对官能团的演变产生影响，包括煤的含氮量、含硫量和灰分等。

动力学分析是探究化学反应速率和反应机理的重要方法。

在低变质煤热解过程中，可以利用动力学分析来探究官能团的转化和改变过程。

动力学分析主要包括测定热解速率和计算反应速率常数。

煤的氧化与自燃机理无论是褐煤或无烟煤，它们的结构单元都是由多芳香环组成，不同的是褐煤的结构单元中芳香环的缩聚程度小，同时芳香环上有较多的侧链；无烟煤的结构单元中的芳香环多一些，侧链少一些，碳的百分含量高。

氢是煤中第二重要元素，它是煤的结构单元多芳香环及其侧链上的组成元素。

侧链上的烃基、羟基、醛基等都有氢的参与。

煤结构单元侧链上以及一些官能团中常含有氧，低变质程度的煤，氧含量高。

煤中还含有少量的氮、硫等元素。

煤的自燃与煤质和煤岩组成有很大关系，各种煤中以年青的褐煤最易自燃；在一般情况下，各显微组分的氧化活性的顺序为：镜质组>壳质组>惰质组。

对煤自燃的影响因素很多，首先是煤本身的内在特性，如煤化程度、水分、空隙率、比表面积、矿物质含量与组成、硬度、导热性等；其次是外部条件，如气候（温度与湿度）、风速、煤的堆积密度等。

在此，从煤及煤中矿物的表面反应出发，探讨煤的自燃机理。

一、煤的氧化与风化煤的燃烧需要氧气和一定的热量。

关于煤炭自燃原因是世界各主要产煤国共同关心的问题，科研工作者进行了大量的研究和探索，提出了不少假说，主要有黄铁矿作用学说、细菌作用学说、酚基作用学说以及煤氧复合作用学说。

随着科技的进步，发现虽然在高变质程度富含黄铁矿的煤会发生自燃，但完全不含黄铁矿的煤也会自燃；煤即使在真空中让细菌充分死亡的条件下，其自燃倾向也未降低，这说明黄铁矿作用学说和细菌作用学说都是不全面的。

酚基作用学说认为，煤中不饱和的化合物与空气中氧作用，是引起煤炭自燃的主要原因。

有人认为酚基作用学说实际上是煤氧复合学说，或者是煤氧复合学说的补充。

所以，目前大多数学者赞同煤氧复合学说。

采山的煤或井下煤暴露于空气中，则除无烟煤外所有的煤，除惰质组外几乎所有的煤岩组分，都对氧特别敏感。

空气对煤氧化的最初阶段的特征是氧在煤表面上物理吸附和化学吸附。

一般认为，煤炭低温吸氧过程有以下三种途径：（1）空气中的氧在范德华力的作用下吸附在煤的表面，在物理吸附时能放出与气体凝聚热相当的热量（即物理吸附热）。