基于量子化学计算的煤低温氧化放热强度

作     者：高飞 白企慧 贾喆 滕弋非 李应迪 GAO Fei;BAI Qihui;JIA Zhe;TENG Yifei;LI Yingdi

作者机构：辽宁工程技术大学安全科学与工程学院辽宁葫芦岛125100 辽宁工程技术大学矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室辽宁葫芦岛125100 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2023年第48卷第9期

页      面：3428-3440页

核心收录：

学科分类：0819[工学-矿业工程] 081903[工学-安全技术及工程] 08[工学] 0703[理学-化学] 

基　　金：国家自然科学基金面上资助项目(51874161) 

主　　题：放热强度 低温氧化 煤结构 量子化学计算 活性基团 

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C_(203)H_(140)O_(18)N_(2),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:■;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H_(2)O,后3种活性基团可发生多步反应至最终产物为CO和CO_(2)。基团发生彻底氧化反应生成CO和CO_(2)的反应热分别为ΔH_(2)=-591.88 kJ/mol、ΔH_(3)=-7_(18).10 kJ/mol,未发生彻底氧化反应的最小反应热为ΔH_(min)=-366.99 kJ/mol,最大反应热为ΔH_(max)=-535.07 kJ/mol;结合耗氧速率、CO产生速率和CO_(2)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。