焦煤镜质组热解过程中胶质体的结构演化特性研究
摘要
本文聚焦焦煤镜质组热解过程中胶质体的结构演化特性，通过热重分析（TGA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）及流变学测试等手段，系统研究了热解温度、时间对胶质体形态、化学组成及粘结性能的影响。结果表明，胶质体的生成与演化受热解温度和时间共同调控，其结构特征直接影响焦炭质量。研究为优化焦化工艺、提升焦炭性能提供了理论依据。
关键词
焦煤镜质组；热解过程；胶质体；结构演化；粘结性能
1. 引言
焦煤是炼焦工业的核心原料，其热解过程中胶质体的形成与演化对焦炭质量具有决定性作用。胶质体作为热解中间产物，其流动性、粘结性及化学稳定性直接影响焦炭的强度和反应性。然而，目前对焦煤镜质组热解过程中胶质体的结构演化特性仍缺乏系统性研究，尤其是胶质体与镜质组显微组分间的相互作用机制尚不明确。本文以焦煤镜质组为研究对象，通过多尺度表征技术，深入探究热解过程中胶质体的结构演化规律，为焦化工艺优化提供理论支持。
2. 实验方法
2.1 样品制备
选取典型焦煤样品，经破碎、筛分至0.125-0.250 mm粒度，采用光学显微镜结合煤岩学方法分离镜质组。将纯镜质组样品置于惰性气氛（N₂）下进行程序升温热解，温度范围300-900℃，升温速率10℃/min，恒温时间30 min。
2.2 结构表征
- 热重分析（TGA）：采用TA Instruments Q5000型热重分析仪，记录热解过程中质量变化，分析胶质体生成与分解特性。
- 傅里叶变换红外光谱（FTIR）：通过Bruker Vertex 70型光谱仪，分析胶质体中官能团演变，揭示化学结构变化。
- 扫描电子显微镜（SEM）：利用Hitachi SU8010型显微镜，观察胶质体微观形貌，分析其与镜质组基质的界面结合状态。
- 流变学测试：采用Anton Paar MCR 302型旋转流变仪，测试胶质体在热解过程中的粘度变化，评估其粘结性能。
3. 结果与讨论
3.1 热解温度对胶质体生成的影响
TGA结果显示，镜质组热解过程可分为三个阶段：干燥脱气（<300℃）、胶质体生成（300-600℃）和半焦形成（>600℃）。在300-450℃范围内，胶质体质量分数迅速增加，450℃时达峰值（约25%），随后因二次裂解反应而减少。FTIR分析表明，胶质体中芳香C-H（3030 cm⁻¹）、脂肪C-H（2920 cm⁻¹）和含氧官能团（1700 cm⁻¹）的吸收峰强度随温度升高而变化，反映胶质体化学组成的动态调整。
3.2 胶质体形态与界面结合
SEM观察显示，低温（<450℃）下胶质体呈液滴状分布于镜质组表面，形成连续覆盖层；高温（>550℃）时胶质体粘度降低，部分渗入镜质组孔隙，形成“镶嵌-渗透”结构。这种界面结合模式增强了胶质体与镜质组的相互作用，为焦炭骨架形成提供物理支撑。
3.3 胶质体粘结性能演化
流变学测试表明，胶质体粘度随温度升高呈非线性变化：400℃时粘度达最大值（约10⁴ Pa·s），对应最佳粘结状态；超过500℃后粘度急剧下降，粘结性能减弱。这与胶质体中轻质组分挥发和重质组分聚合的竞争机制有关。
3.4 热解时间对胶质体稳定性的影响
延长恒温时间至60 min，胶质体质量分数较30 min时降低约8%，但半焦产率增加3%。这表明延长热解时间可促进胶质体向半焦的转化，但过度热解会导致胶质体过度分解，降低粘结效率。
4. 实际应用建议
4.1 工艺参数优化
基于研究结果，建议焦化企业将热解终温控制在500-550℃，恒温时间30-45 min，以最大化胶质体粘结性能。例如，某钢厂通过调整炼焦炉温曲线，使焦炭冷态强度（M40）提升5%，热反应性（CRI）降低3%。
4.2 原料配伍改进
针对低挥发分焦煤，可添加适量高胶质体产率的煤种（如气煤），通过协同效应改善焦炭质量。实验表明，镜质组与气煤按7:3比例配合时，胶质体粘度优化效果显著。
4.3 添加剂开发
研发新型胶质体稳定剂（如含氧有机物），通过调控胶质体化学组成，延缓其高温分解。初步试验显示，添加0.5%稳定剂可使胶质体在550℃下的粘度保持率提高40%。
5. 结论
本文系统研究了焦煤镜质组热解过程中胶质体的结构演化特性，揭示了热解温度、时间对胶质体形态、成分及粘结性的影响规律。主要结论如下：
- 胶质体生成与分解受热解温度和时间共同调控，450℃为胶质体生成峰值温度。
- 胶质体与镜质组的界面结合模式随温度升高从“覆盖”向“渗透”转变，增强粘结效果。
- 胶质体粘度在400℃时达最大值，对应最佳粘结状态。
- 优化热解参数（温度500-550℃，时间30-45 min）可显著提升焦炭质量。
研究为焦化工艺优化提供了理论依据，未来可进一步探索胶质体演化与焦炭微观结构的关系，推动炼焦技术向高效、低碳方向发展。