枣泉煤微观分子模型构建及微波热解分析研究

发布时间：2020-08-21 06:20

【摘要】：煤炭在我国能源结构中占据重要地位,煤炭资源高效综合利用是实现节能减排的重要举措。煤的热解是煤转化过程的基础步骤,影响着液化、气化等过程,在煤科学领域是非常重要的研究对象。本文以宁东枣泉(ZQ)煤为研究对象,使用元素分析结合X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段和计算机辅助,构建ZQ煤大分子结构模型。在此基础上进行反应分子动力学(ReaxFFMD)热解模拟,考察热解终温和升温速率对热解行为的影响,进而预测煤的热解反应性质。在实验方面,采用微波辅助加热技术,考察热解终温、升温速率、终温停留时间和微波功率等因素对ZQ煤热解过程的影响,总结气、液、固产物的生成规律。为阐明煤中氮氧化物(NOx)的生成和转化机理,以吡咯和吡啶作为含氮模型化合物,采用ReaxFF MD研究其燃烧反应机理。重点考察不同温度下吡咯和吡啶燃烧过程中反应物、产物以及主要反应中间体的分子数变化规律。本文将ReaxFF MD理论研究与热解实验相结合,多角度探求微观结构与宏观物质化学反应间的关系,旨在更深入的了解煤在热解过程中的现象和本质。研究表明:经过退火优化后的ZQ煤模型,立体构型显著。通过振动分析和密度泛函计算进一步证明了构建模型的合理性。使用ReaxFF MD模拟ZQ煤的热解过程,发现升温速率对ZQ煤热解过程中气体的产生有显著影响。热解产物大多是气态烃和轻质焦油,大分子物质(C40+)并不多。此外,还可视化追踪了热解过程中C02、CO和1120的形成路径,获得气体产生机理。采用微波辅助技术研究ZQ煤的热解情况。发现不同因素对微波热解过程中产物分布的影响不同。但总体上热解气体收率增加。通过与ReaxFFMD模拟热解结果对比发现,C02和H2分子数变化情况与实验结论有较好的相关性;热解半焦产率降低,石墨化程度逐渐增强;热解焦油产率先增加后减少。确定了在升温速率20℃/min、热解终温510℃、微波功率600W、热解终温停留时间10 min的条件下热解焦油收率最高。使用GC-MS对热解焦油成分进行了分析。发现不同热解工艺条件对焦油的成分影响较大。但整体上焦油组分中酸类、酯类及酮类组分含量较多,这可能与ZQ煤中氧含量较高有关。在对吡咯和吡啶燃烧反应机理的研究中发现,温度是影响氮化物燃烧的重要因素。在燃烧过程中,随着反应的进行,CO2和H2O的分子数先显著增加后趋于平稳,且达到平衡的时间随温度升高而缩短。此外,还发现吡咯和吡啶的燃烧机理有一定的差异。吡咯和吡啶的分解速率随温度的升高不断增大,但相同温度下,吡啶的分解时间比吡咯要长,分解速率比吡咯要慢。两者燃烧产物、氧化过程中的含氮中间体相同。但是,热解开环方式、烃类自由基裂解路径明显不同。
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ530.2
【图文】：

分离密度,镜质组,烟煤,范围

学位论文逦第二章实验及理论计算别设定为１５００邋Ｋ、２０００邋Ｋ、２５００邋Ｋ、３０００邋Ｋ、３５００邋Ｋ、４０００邋Ｋ，升温速率分别设定为５邋０Ｋ／ｐｓ、２５Ｋ／ｐｓ、４０Ｋ／ｐｓ。逡逑部分逡逑处理逡逑自宁东基地枣泉煤矿矿井新鲜样，事先将较大煤块破碎，利用ＧＭ－Ｘ型罐磨球ｘ３１５邋ｍｍ）研磨煤样，使粒度达到２００目以下。按照ＭＴ／Ｔ邋８０７－１９９９烟煤的镜质组，根据镜质组反射率的数值确定氯化锌比重液的高、低密度分别为１．３６邋ｇ／ｃｍ３、１．３０邋ｇ／溶液浮选后，在ＧＬ－２１Ｍ高速冷冻离心机上离心分离出煤样中镜质组分。经ＳＨＢ－ＩＩＩ空泵抽滤，充分洗去残留在煤样中的氯化锌溶液至抽滤出来的水澄清透明。之后在中烘干，装入棕色广口瓶备用。逡逑ｉ邋＼逡逑－逡逑

红外光谱图,红外光谱图,吸收峰

Ｆｉｇｕｒｅ邋３－１邋ＦＴ－ＩＲ邋ｓｐｅｃｔｒａ邋ｏｆ邋ＺＱ邋ｃｏａｌ邋ｓａｍｐｌｅ逡逑１０００￣１８００邋ｃｎＴ１区域包括芳香环Ｃ＝Ｃ伸缩振动峰、－ＣＨ３、－＜：出的变形振动峰及特征含氧官能逡逑团吸收峰。从图３－２邋（ｂ）得出，１０００￣１２００ｃｍ＿１为Ｃ－Ｏ－Ｃ的反对称伸缩振动，１２６６邋ｃｍ４附近的吸收逡逑峰宽而强，可能是由于碳原子与氧原子形成了醚键。１３００￣１６００邋ｃｍ“处的吸收峰（１４０１邋ｃｍｆ１、１４４７逡逑ｃｎｆ１、１５０２0１＾、１５９７邋ｃｍ＿１）为芳香化合物的骨架振动。１３７８邋ｃｎｆ１附近的吸收峰为－ＣＨ３对称弯曲振逡逑动。１７０６邋ｃｍ＇１附近的吸收峰归属于Ｃ＝０伸缩振动以及羧基中Ｃ＝０与羟基形成的氢键共振。逡逑波数为３０００￣２８００邋ｃｍ＇１的区域为饱和烃Ｃ－Ｈ的伸缩振动区（图３－２邋ｃ）。在２８５２邋ｃｍ—１和２９２０邋ｃｍ＇１逡逑处分别有一个强吸收峰。２８００￣２９００ｃｎ＾附近的吸收峰说明有＿ＣＨ３、－ＣＨ２对称伸缩振动的存在。图逡逑中的２８５２．１０邋ｃｍ＇２８９４．３６邋ｃｍ４吸收峰分别属于＿ＣＨ３对称伸缩振动和＿ＣＨ２对称伸缩振动，２９００￣３０００逡逑ｃｍ—１附近的吸收峰（２９４９．７９邋ｃｍ＇邋２９６７．４５邋ｃｍ４）属于－ＣＨ３反对称伸缩振动。逡逑煤的红外光谱图中

谱图,分峰,谱图,煤样

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邋分析逡逑图３－３是ＺＱ煤的１３Ｃ－ＮＭＲ谱图。从核磁共振谱可以获得煤中碳骨架的相关信息，但由于煤结逡逑构复杂，从谱图中并不能够直接获取相关结构信息。因此，本文用分峰拟合方法对谱图进行解析。逡逑图３－４是对样品进行分峰拟合后的谱图。从图中我们可以看到三个碳峰，分别是脂肪碳峰（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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