东曲2号煤大分子结构模型及其热反应性研究

发布时间：2020-06-08 10:24

【摘要】：能源是现代社会人类生存和持续发展的重要基础,煤炭作为我国工业体系中最重要的矿物化工燃料,在生产中发挥着无可替代的作用。而炼焦煤为当今我国乃至全世界能源体系结构中的重要组成部分,伴随着我国国民生产总值的提高,科技、经济等多方面的长足发展,如何充分使用我国的丰富煤炭资源生产清洁进行工业生产是如今我国能源利用领域面临的重大挑战,促使科研工作者对煤的高效转化与清洁方面的研究更加深入,因此对深入了解煤的热反应机理提出了更高的要求。本文以东曲2号镜煤为研究对象,利用工业分析和元素分析、FTIR、XRD、XPS、~(13)C-NMR测试数据,通过数据分析软件Origin7.5、ACD/Labs C-NMR、gNMR进行东曲2号煤的大分子结构模型的构建,采用材料分析软件Materials Studio对大分子结构模型进行分子力学、分子动力学以及量子化学模拟,采用基于蒙特卡洛模拟的ReaxFF反应力场模拟大分子结构模型在介观尺度下的热解反应,以及有关的能量变化和热解产物的生成性质。最后对样品的TG/MS实验结果进行对比分析,在模拟层面与热解实验进行了系统的研究,主要内容如下:1、对东曲2号煤的镜质体进行反射率测定,可得R~o_(max)=1.81%,可知此煤样为变质程度较高的贫瘦煤,在工业中主要以配煤的形式出现。2、对东曲2号煤的结构利用FTIR进行表征,可得到煤结构中的甲基、亚甲基、次甲基的比值约为4:3:2,红外芳碳率为0.65;利用XRD进行表征,可得到芳香层间距为3.55?,堆砌高度为21.32?,堆砌层数为6.01层;利用XPS分别对O元素、N元素进行表征,可得到样品中无机氧、吸附氧和有机氧三种氧元素存在形式的比例为1:3:4,吡咯型氮与吡啶型氮的含量之比为1:1;利用~(13)C-NMR进行表征,可得到此样品的核磁芳碳率为0.65,此处的核磁芳碳率和红外芳碳率一致。3、利用东曲2号煤的结构表征信息,可知此样品的芳香桥碳与周碳之比为0.35,故在所需要构建的大分子结构模型中添加3个芘或其同分异构体,2个蒽或其同分异构体菲,2个萘及1个苯环,计算得到杂原子中N原子存在于1个吡咯环及1个吡啶环中,O原子存在于4个酚羟基及1个羧基中。使用ACD/Labs软件对样品的初始大分子结构模型进行构建并进行~(13)C-NMR谱图模拟计算,将模拟谱图和实验谱图的进行对比后,对模型进行修正得到和实验结果吻合较好的大分子化学结构模型,结构模型的化学分子式为C_(174)H_(148)O_5N_2。4、采用分子力学和分子动力学方法在Materials Studio软件中对一个大分子结构模型进行结构优化退火后,得到能量最小几何构型,优化结果表明经过优化后芳香结构出现了弯曲变形,范德华力能和键伸缩能都有不同程度的降低,而对应的是键角能和键扭转能均出现增加,通过添加边界条件模拟得到密度模拟结果表明大分子结构模型的密度分别1.45 g/cm~3。采用VAMP模拟模块来计算大分子化学结构模型中的键长、键级和电荷布居数作为主要结构参数,通过对参数的分析可以得到芳香结构中C-C键键长相比脂肪烃C-C键键长较短,键级较大,故芳香结构化学稳定性相比于脂肪烃较高。5、在材料化学模拟平台ADF软件中分别对大分子结构模型进行不同条件下的热解模拟。(1)在等温条件下进行热解模拟通过分析可以得出,随着温度升高,模拟系统内的总分子数、总能、势能、键能的变化趋势为随着时间的推移逐渐增大,而旋转能以及范德华能的变化趋势为随着时间的推移逐渐减小;不同的温度下模拟系统内的总分子数、总能、势能、键能、旋转能以及范德华能的变化规律基本一致。(2)在不同升温速率条件下的热解模拟通过分析可以得出,随着升温速率的变大,模拟体系内的总分子数、总能、势能、键能、旋转能以及范德华能的变化程度越来越大。6、TG/MS热解实验中以热解主要产物CH_4为例,经分析煤热解过程中主要有三类反应产生CH_4:热解过程中煤中较短的脂肪链地断裂、甲氧基上的甲基脱落、醇类官能团的脱落以及长链脂肪烃的二次裂解出来甲基继而生成CH_4;煤中的与芳香核、环烷烃相连的甲基由于外界高温的作用致使甲基脱落继而生成CH_4;煤中的芳香结构由于缩聚作用生成脂环结构后由于外界高温的作用致使甲基脱落继而生成CH_4。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ530

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本文编号：2702942