煤结构是煤化学的重要研究内容, 优质肥煤在我国属于稀缺炼焦煤种。 碳是煤结构的基本骨架, 是构成煤中有机质及形成焦炭的主要元素。 研究高硫肥煤中的碳结构对认知肥煤结构与性质, 提高低品质炼焦煤利用效率具有重要意义。 采集并制备山东东滩(DT)和山西水峪(SY)、 霍州(HZ)、 高阳(GY)四个矿区的肥煤样品, 利用X-射线衍射(XRD)、 傅里叶变换红外光谱(FTIR)以及 X-射线光电子能谱(XPS)对煤中碳结构进行谱学表征和联合解析, 结合煤质分析结果, 计算不同肥煤样品的碳结构参数。 研究结果表明: SY, HZ, GY和DT四种肥煤的芳香度f_a-XRD依次增大, 芳香层片的延展度L_c和堆垛高度L_a依次减小, 山西煤的芳香碳结构层片在排列规整度和芳香环缩合程度上强于东滩煤。 DT和GY煤中芳香烃结构主要以苯环五取代、 苯环四取代和苯环三取代形式存在, SY与HZ煤中芳香结构以苯环二取代和苯环四取代为主。 DT和GY煤含有较多的支链和较高的芳环缩合度。 四种肥煤中脂肪结构均是以亚甲基为主, DT, SY, HZ和GY煤的亚甲基占脂肪结构的比例分别为46.27%, 48.89%, 44.21%和41.85%, 煤中含有较多的烷基侧链。 GY与DT煤中甲基含量略高于次甲基, SY和HZ煤则相反, 这主要与不同煤样在成烃期间长脂肪族结构发生断裂的程度有关。 SY, HZ, GY和DT煤的芳碳率分别为0.83, 0.81, 0.74和0.68, 芳氢率分别为0.51, 0.43, 0.34和0.29, 煤中芳构化程度依次减小, 芳香环缩合度依次升高。 DT和HZ煤的氧化程度较高, DT煤含有较多的C—O结构, 判断DT煤中存在较多不易被热分解或不易起化学反应的非活性氧。

气肥煤是炼焦煤的主要煤种之一, 研究高硫气肥煤的结构并构建分子结构单元模型, 对气肥煤脱硫提质, 优化炼焦配煤, 节约优质炼焦煤资源具有重要意义。 选择山西高阳矿区高硫气肥煤, 利用FTIR, ¹³C CP/MAS-NMR, XPS等测试分析方法表征煤中碳、 氧、 氮、 硫赋存特征, 结合煤质分析结果, 计算芳香结构、 脂肪结构和杂原子结构参数, 并构建高阳高硫气肥煤分子结构单元模型。 研究结果表明: 与芳环上π电子形成的羟基 π 氢键是高阳高硫气肥煤最主要的羟基结构, 占比为73.20%, 羟基自缔合氢键、 醚氧键与羟基形成的氢键含量较高, 占羟基总量的24.38%, 游离羟基含量仅占2.42%, 煤中缔合结构以多聚体形式为主。 含氧官能团主要以共轭羰基和酚羟基的形式存在, 芳基醚和羧基含量较少。 亚甲基是最主要的脂肪烃结构, 占比为41.85%, 甲基、 次甲基占比分别为29.86和28.29%。 芳香烃结构主要有苯环五取代、 苯环三取代和苯环四取代三种形式, 占比分别为41.42%, 30.65%和19.82%。 芳氢率和芳碳率分别为0.34~0.35和0.73~0.77, 芳核平均结构尺寸X_b为0.43。 煤中噻吩、 (亚)砜、 硫醇(醚)和无机硫含量分别为35.90%, 27.61%, 18.40%和18.09%。 氮主要以吡啶和吡咯结构存在, 质子化吡啶和氮氧化物较少。 通过对煤结构的表征, 设计分子结构单元中有芳香烃碳原子118个, 羧基和羰基共5个, 脂肪烃碳原子35个, 氧、 硫、 氮原子各8、 2、 2个; 根据煤中杂原子结构解析结果, 确定分子结构模型单元中包含噻吩、 亚砜、 吡啶、 吡咯、 酚羟基、 醚氧键等官能团。 以此研究为基础构建分子式为C₁₆₅H₁₂₈O₈N₂S₂的高阳高硫气肥煤分子结构单元模型。