应用分享 | 532nm拉曼光谱仪在煤燃烧中的应用

2024-08-23154

一、研究背景

拉曼光谱作为一种快速、高精度、无损的分析工具，可用于分析从气体到固体、从非原位到原位、从有机大分子到矿物的样品。它已被证明是表征含碳固体燃料(CSFs)及其热转化产物的有力工具。

热化学转化过程(tcp)为利用或转化有价值的产品或能源提供了主要的技术途径，其一般包括热解、液化、气化和燃烧四种工艺技术。充分了解tcp的主要目标是优化该过程，以提高效率并减少不需要的副产品。基本步骤是表征原料的结构，确定反应过程中形成的化学物质，并分析最终产物，这些都需要强大的分析方法。

拉曼光谱是一种分子振动光谱学，起源于非弹性散射(也称为拉曼散射)。当光照射在物质上时，光子可以直接穿过分子而不发生相互作用，也可以被吸收或散射。在散射过程中，电子被照射到虚振动状态，即不稳定状态，然后光子被迅速辐射出去。当被辐射光子的频率与被辐射光子的频率相同时，发生瑞利散射。相反，会发生拉曼散射。当辐射光子频率低于被辐射光子频率(红移)时，这种散射过程称为斯托克斯（Stokes）散射。反之，称为反Stokes散射。由于Stokes散射比反Stokes散射更强烈，因此通常以拉曼光谱的形式检测Stokes散射，并用于CSFs的结构分析。拉曼光谱可以准确地检测煤炭等含炭固体燃料的成分及燃烧状态。

图1. 煤的拉曼图化学成像^[1]

二、532 nm拉曼光谱仪在煤燃烧中的应用

1. 微观结构表征：532 nm拉曼光谱仪可以分析煤的成分、判断煤的成熟度。煤是复杂化学结构的混合物，原煤中存在烷烃、氧官能团、小芳环、交联结构连接的大芳环体系、小石墨微晶，甚至石墨结晶等结构。在原煤的拉曼光谱中，D和G波段是主要的，可以反映煤的特定构造信息。煤阶是决定煤在工业上应用的关键参数，它直接决定了煤的热转化过程。

表1. 从石墨到非晶碳样品的拉曼带描述^[2]

图2. 煤一阶拉曼光谱曲线拟合^[3]

图3. D1和G波段频宽和位置随温度的变化；

(a) D1波段频宽；(b) G波段频宽；(c) D1波段位置；(d) G带位置^[3]

2. 催化剂研究：通过原位拉曼光谱技术，可以研究催化剂（如Fe2O3、Ca(OH)2和K2CO3）在煤燃烧过程中的作用。研究表明，催化剂显著影响了煤的热解和燃烧行为，拉曼光谱可以帮助捕捉这些催化反应的实时变化。

3. 实时监测燃烧过程：使用原位拉曼光谱可以实时监测煤炭燃烧过程中的中间产物和最终产物。例如，检测燃烧过程中产生的气体（如H2、CO、CO2等）和固体颗粒的变化，这有助于理解燃烧反应机制和优化燃烧条件。拉曼光谱仪能够在1秒内同时测量多达13种工业上重要的气体，且测量结果与红外和质谱仪的结果一致性较高。