基于原位FTIR与拉曼光谱联用的煤氧化过程中分子结构演化机制及NOx 减排理论创新

为解决煤燃烧过程中NOx 排放控制难题，中国科学院工程热物理研究所团队通过原位傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱联用技术，揭示了超细煤粉氧化过程中表面官能团（-OH、-COOH、C=C）与微晶结构（芳香度fa 、石墨化度）的动态演变规律，发现机械力作用会抑制初期氧化但促进芳构化，为开发低NOx 燃烧技术提供了分子层面理论支撑。

　　

煤炭作为主要能源的同时，其燃烧释放的氮氧化物（NO_x
）对环境和健康构成严重威胁。尽管预氧化调控煤分子构型可改善NO_x
还原性能，但高温氧化过程中官能团与微晶结构的协同作用机制尚不明确。现有研究多聚焦单一因素，缺乏对煤分子构象动态演化的系统认知，制约了低NO_x
燃烧技术的突破。

针对这一挑战，中国科学院工程热物理研究所Jiaxun Liu团队在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》发表研究，创新性地采用原位FTIR和原位拉曼光谱联用技术，实时监测内蒙古烟煤（NMG）与河南无烟煤（HN）在氧化过程中的结构演变。研究选取4种粒径的超细煤粉（8.0-34.7 μm），通过光谱参数定量分析官能团含量与微晶有序度变化，结合机械化学效应阐明粒径对氧化路径的影响。

关键技术方法
研究团队构建了高温原位反应池耦合光谱检测系统：（1）原位FTIR追踪-OH、C=O等官能团分解动力学；（2）原位拉曼光谱解析AD/AG（无序大环芳烃比例）等微晶结构参数；（3）结合工业分析（GB/T212-2001）与元素分析仪测定煤样基础特性。

煤样特性
实验选用NMG烟煤与HN无烟煤，通过机械研磨制备4种粒径梯度样品，烟煤最小粒径达11.0 μm，无烟煤为8.0 μm。

红外光谱分析
FTIR数据显示：低温阶段（<300°C）-OH和-COOH分解主导，中高温段C-O含量显著增加；机械力作用使煤表面-OH和C=O含量提升23%-37%，但抑制初期氧化反应速率。HN煤在500°C出现显著石墨化特征，C=C键断裂伴随芳环缩合。

拉曼光谱验证
拉曼参数AD/AG升高（最大增幅1.8倍）与A_(GR+VL+VR)
/A_D
降低，证实FTIR得出的芳香度参数f_a

和缩合度（DOC）变化趋势，表明氧化促进芳环缩合与三维有序结构形成。

结论与意义
该研究首次揭示：（1）机械力诱导的官能团重构会延缓初期氧化但加速芳构化进程；（2）500°C是无烟煤微晶石墨化的临界温度；（3）超细煤粉的粒径效应通过改变活性位点分布影响NO_x
异相还原路径。成果为精准调控煤分子构象以优化NO_x
减排工艺提供了理论基石，推动微波氧化、低温燃烧等技术的发展。