【摘 要】
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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、差示扫描量热等实验相结合的方法,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
【机 构】
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辽宁工程技术大学安全科学与工程学院
【基金项目】
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国家自然科学基金面上资助项目(51874161);
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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、差示扫描量热等实验相结合的方法,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(Mr=2893.01),确定煤低温氧化过程中的六种活性基团分别为:■、■、■、■、■、■;在煤的低温氧化阶段,前三种活性基团未发生开环反应,主要生成环己酮和H2O,后三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的反应热为ΔHCO=-591.88 kJ/mol,ΔHCO2=-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=-535.07 kJ/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,研究结果为煤氧化放热特性的研究提供理论基础。
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