基于量子化学计算的煤低温氧化放热强度

摘要：

煤分子结构是影响煤氧化放热特性的根本原因.以水峪(SY)烟煤为研究对象,采用量子化学计算与工业和元素分析、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、程序升温、差示扫描量热等相结合的方法,构建并优化SY煤的三维分子模型,并对煤的低温氧化放热强度进行研究.研究成果如下:SY煤的变质程度较高,其中碳元素主要以四取代的芳香烃和环烷烃形式存在,氮和硫元素主要以具有芳香性的吡咯和噻吩形式存在;碳氧官能团中醚氧键(C-O)、羰基(C=O)和羧基(COO—)的比例约为1.5∶1∶1.5,煤中氢键主要以羟基自缔合氢键为主.构建SY煤三维层状结构模型的分子式为C203H140O18N2,分子量为2 893.01,确定煤低温氧化过程中的 6种活性基团分别为:(□)、(□)-OH、(□)-CH3、、(□)-H-C-H(□);在煤的低温氧化阶段,前3种活性基团未发生开环反应,主要生成环己酮和H2O,后3种活性基团可发生多步反应至最终产物为CO和CO2.基团发生彻底氧化反应生成CO和CO2的反应热分别为AH2=-591.88 kJ/mol、ΔH3=-718.10 kJ/mol,未发生彻底氧化反应的最小反应热为ΔHmin=-366.99 kJ/mol,最大反应热为ΔHmax=-535.07kJ/mol;结合耗氧速率、CO产生速率和CO2产生速率,可计算得到SY煤在不同低温氧化阶段的放热强度,与差示扫描量热实验所得放热强度相比,计算值和实验值基本一致,说明采用量子化学方法计算煤放热强度的可行性.

关键词：放热强度、低温氧化、煤结构、量子化学计算、活性基团

所属期刊栏目：48

分类号：TD75(矿山安全与劳动保护)

资助基金：国家自然科学基金51874161

在线出版日期：2023-10-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共13页

页码：3428-3440