【摘要】：煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位,煤炭資源高效綜合利用是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要舉措。煤的熱解是煤轉(zhuǎn)化過程的基礎(chǔ)步驟,影響著液化、氣化等過程,在煤科學(xué)領(lǐng)域是非常重要的研究對(duì)象。本文以寧東棗泉(ZQ)煤為研究對(duì)象,使用元素分析結(jié)合X射線衍射(XRD)、X射線光電子能譜(XPS)等表征手段和計(jì)算機(jī)輔助,構(gòu)建ZQ煤大分子結(jié)構(gòu)模型。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行反應(yīng)分子動(dòng)力學(xué)(ReaxFFMD)熱解模擬,考察熱解終溫和升溫速率對(duì)熱解行為的影響,進(jìn)而預(yù)測(cè)煤的熱解反應(yīng)性質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)方面,采用微波輔助加熱技術(shù),考察熱解終溫、升溫速率、終溫停留時(shí)間和微波功率等因素對(duì)ZQ煤熱解過程的影響,總結(jié)氣、液、固產(chǎn)物的生成規(guī)律。為闡明煤中氮氧化物(NOx)的生成和轉(zhuǎn)化機(jī)理,以吡咯和吡啶作為含氮模型化合物,采用ReaxFF MD研究其燃燒反應(yīng)機(jī)理。重點(diǎn)考察不同溫度下吡咯和吡啶燃燒過程中反應(yīng)物、產(chǎn)物以及主要反應(yīng)中間體的分子數(shù)變化規(guī)律。本文將ReaxFF MD理論研究與熱解實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,多角度探求微觀結(jié)構(gòu)與宏觀物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)間的關(guān)系,旨在更深入的了解煤在熱解過程中的現(xiàn)象和本質(zhì)。研究表明:經(jīng)過退火優(yōu)化后的ZQ煤模型,立體構(gòu)型顯著。通過振動(dòng)分析和密度泛函計(jì)算進(jìn)一步證明了構(gòu)建模型的合理性。使用ReaxFF MD模擬ZQ煤的熱解過程,發(fā)現(xiàn)升溫速率對(duì)ZQ煤熱解過程中氣體的產(chǎn)生有顯著影響。熱解產(chǎn)物大多是氣態(tài)烴和輕質(zhì)焦油,大分子物質(zhì)(C40+)并不多。此外,還可視化追蹤了熱解過程中C02、CO和1120的形成路徑,獲得氣體產(chǎn)生機(jī)理。采用微波輔助技術(shù)研究ZQ煤的熱解情況。發(fā)現(xiàn)不同因素對(duì)微波熱解過程中產(chǎn)物分布的影響不同。但總體上熱解氣體收率增加。通過與ReaxFFMD模擬熱解結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn),C02和H2分子數(shù)變化情況與實(shí)驗(yàn)結(jié)論有較好的相關(guān)性;熱解半焦產(chǎn)率降低,石墨化程度逐漸增強(qiáng);熱解焦油產(chǎn)率先增加后減少。確定了在升溫速率20℃/min、熱解終溫510℃、微波功率600W、熱解終溫停留時(shí)間10 min的條件下熱解焦油收率最高。使用GC-MS對(duì)熱解焦油成分進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)不同熱解工藝條件對(duì)焦油的成分影響較大。但整體上焦油組分中酸類、酯類及酮類組分含量較多,這可能與ZQ煤中氧含量較高有關(guān)。在對(duì)吡咯和吡啶燃燒反應(yīng)機(jī)理的研究中發(fā)現(xiàn),溫度是影響氮化物燃燒的重要因素。在燃燒過程中,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,CO2和H2O的分子數(shù)先顯著增加后趨于平穩(wěn),且達(dá)到平衡的時(shí)間隨溫度升高而縮短。此外,還發(fā)現(xiàn)吡咯和吡啶的燃燒機(jī)理有一定的差異。吡咯和吡啶的分解速率隨溫度的升高不斷增大,但相同溫度下,吡啶的分解時(shí)間比吡咯要長(zhǎng),分解速率比吡咯要慢。兩者燃燒產(chǎn)物、氧化過程中的含氮中間體相同。但是,熱解開環(huán)方式、烴類自由基裂解路徑明顯不同。
【學(xué)位授予單位】：寧夏大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ530.2
【圖文】：

學(xué)位論文邐第二章實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算別設(shè)定為１５００邋Ｋ、２０００邋Ｋ、２５００邋Ｋ、３０００邋Ｋ、３５００邋Ｋ、４０００邋Ｋ，升溫速率分別設(shè)定為５邋０Ｋ／ｐｓ、２５Ｋ／ｐｓ、４０Ｋ／ｐｓ。逡逑部分逡逑處理逡逑自寧東基地棗泉煤礦礦井新鮮樣，事先將較大煤塊破碎，利用ＧＭ－Ｘ型罐磨球ｘ３１５邋ｍｍ）研磨煤樣，使粒度達(dá)到２００目以下。按照ＭＴ／Ｔ邋８０７－１９９９煙煤的鏡質(zhì)組，根據(jù)鏡質(zhì)組反射率的數(shù)值確定氯化鋅比重液的高、低密度分別為１．３６邋ｇ／ｃｍ３、１．３０邋ｇ／溶液浮選后，在ＧＬ－２１Ｍ高速冷凍離心機(jī)上離心分離出煤樣中鏡質(zhì)組分。經(jīng)ＳＨＢ－ＩＩＩ空泵抽濾，充分洗去殘留在煤樣中的氯化鋅溶液至抽濾出來的水澄清透明。之后在中烘干，裝入棕色廣口瓶備用。逡逑ｉ邋＼逡逑－逡逑

Ｆｉｇｕｒｅ邋３－１邋ＦＴ－ＩＲ邋ｓｐｅｃｔｒａ邋ｏｆ邋ＺＱ邋ｃｏａｌ邋ｓａｍｐｌｅ逡逑１０００￣１８００邋ｃｎＴ１區(qū)域包括芳香環(huán)Ｃ＝Ｃ伸縮振動(dòng)峰、－ＣＨ３、－＜：出的變形振動(dòng)峰及特征含氧官能逡逑團(tuán)吸收峰。從圖３－２邋（ｂ）得出，１０００￣１２００ｃｍ＿１為Ｃ－Ｏ－Ｃ的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)，１２６６邋ｃｍ４附近的吸收逡逑峰寬而強(qiáng)，可能是由于碳原子與氧原子形成了醚鍵。１３００￣１６００邋ｃｍ“處的吸收峰（１４０１邋ｃｍｆ１、１４４７逡逑ｃｎｆ１、１５０２0１＾、１５９７邋ｃｍ＿１）為芳香化合物的骨架振動(dòng)。１３７８邋ｃｎｆ１附近的吸收峰為－ＣＨ３對(duì)稱彎曲振逡逑動(dòng)。１７０６邋ｃｍ＇１附近的吸收峰歸屬于Ｃ＝０伸縮振動(dòng)以及羧基中Ｃ＝０與羥基形成的氫鍵共振。逡逑波數(shù)為３０００￣２８００邋ｃｍ＇１的區(qū)域?yàn)轱柡蜔NＣ－Ｈ的伸縮振動(dòng)區(qū)（圖３－２邋ｃ）。在２８５２邋ｃｍ—１和２９２０邋ｃｍ＇１逡逑處分別有一個(gè)強(qiáng)吸收峰。２８００￣２９００ｃｎ＾附近的吸收峰說明有＿ＣＨ３、－ＣＨ２對(duì)稱伸縮振動(dòng)的存在。圖逡逑中的２８５２．１０邋ｃｍ＇２８９４．３６邋ｃｍ４吸收峰分別屬于＿ＣＨ３對(duì)稱伸縮振動(dòng)和＿ＣＨ２對(duì)稱伸縮振動(dòng)，２９００￣３０００逡逑ｃｍ—１附近的吸收峰（２９４９．７９邋ｃｍ＇邋２９６７．４５邋ｃｍ４）屬于－ＣＨ３反對(duì)稱伸縮振動(dòng)。逡逑煤的紅外光譜圖中

Ｆｉｇｕｒｅ邋３－２邋Ｃｕｒｖｅ－ｆｉｔｔｅｄ邋ＦＴ－ＩＲ邋ｓｐｅｃｔｒａ邋ｏｆ邋ｃｏａｌ邋ｓａｍｐｌｅ逡逑３．２．３邋１３Ｃ－ＮＭＲ邋分析逡逑圖３－３是ＺＱ煤的１３Ｃ－ＮＭＲ譜圖。從核磁共振譜可以獲得煤中碳骨架的相關(guān)信息，但由于煤結(jié)逡逑構(gòu)復(fù)雜，從譜圖中并不能夠直接獲取相關(guān)結(jié)構(gòu)信息。因此，本文用分峰擬合方法對(duì)譜圖進(jìn)行解析。逡逑圖３－４是對(duì)樣品進(jìn)行分峰擬合后的譜圖。從圖中我們可以看到三個(gè)碳峰，分別是脂肪碳峰（０？８０邋ｐｐｍ）、逡逑芳香碳峰（１００？１６５邋ｐｐｍ）以及壀基、竣基峰（１７５？２００邋ｐｐｍ）。逡逑－１６－逡逑

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本文編號(hào)：2799038