發(fā)布時(shí)間：2020-06-08 10:24

【摘要】：能源是現(xiàn)代社會(huì)人類(lèi)生存和持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ),煤炭作為我國(guó)工業(yè)體系中最重要的礦物化工燃料,在生產(chǎn)中發(fā)揮著無(wú)可替代的作用。而煉焦煤為當(dāng)今我國(guó)乃至全世界能源體系結(jié)構(gòu)中的重要組成部分,伴隨著我國(guó)國(guó)民生產(chǎn)總值的提高,科技、經(jīng)濟(jì)等多方面的長(zhǎng)足發(fā)展,如何充分使用我國(guó)的豐富煤炭資源生產(chǎn)清潔進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)是如今我國(guó)能源利用領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn),促使科研工作者對(duì)煤的高效轉(zhuǎn)化與清潔方面的研究更加深入,因此對(duì)深入了解煤的熱反應(yīng)機(jī)理提出了更高的要求。本文以東曲2號(hào)鏡煤為研究對(duì)象,利用工業(yè)分析和元素分析、FTIR、XRD、XPS、~(13)C-NMR測(cè)試數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件Origin7.5、ACD/Labs C-NMR、gNMR進(jìn)行東曲2號(hào)煤的大分子結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建,采用材料分析軟件Materials Studio對(duì)大分子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)以及量子化學(xué)模擬,采用基于蒙特卡洛模擬的ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)模擬大分子結(jié)構(gòu)模型在介觀尺度下的熱解反應(yīng),以及有關(guān)的能量變化和熱解產(chǎn)物的生成性質(zhì)。最后對(duì)樣品的TG/MS實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,在模擬層面與熱解實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,主要內(nèi)容如下:1、對(duì)東曲2號(hào)煤的鏡質(zhì)體進(jìn)行反射率測(cè)定,可得R~o_(max)=1.81%,可知此煤樣為變質(zhì)程度較高的貧瘦煤,在工業(yè)中主要以配煤的形式出現(xiàn)。2、對(duì)東曲2號(hào)煤的結(jié)構(gòu)利用FTIR進(jìn)行表征,可得到煤結(jié)構(gòu)中的甲基、亞甲基、次甲基的比值約為4:3:2,紅外芳碳率為0.65;利用XRD進(jìn)行表征,可得到芳香層間距為3.55?,堆砌高度為21.32?,堆砌層數(shù)為6.01層;利用XPS分別對(duì)O元素、N元素進(jìn)行表征,可得到樣品中無(wú)機(jī)氧、吸附氧和有機(jī)氧三種氧元素存在形式的比例為1:3:4,吡咯型氮與吡啶型氮的含量之比為1:1;利用~(13)C-NMR進(jìn)行表征,可得到此樣品的核磁芳碳率為0.65,此處的核磁芳碳率和紅外芳碳率一致。3、利用東曲2號(hào)煤的結(jié)構(gòu)表征信息,可知此樣品的芳香橋碳與周碳之比為0.35,故在所需要構(gòu)建的大分子結(jié)構(gòu)模型中添加3個(gè)芘或其同分異構(gòu)體,2個(gè)蒽或其同分異構(gòu)體菲,2個(gè)萘及1個(gè)苯環(huán),計(jì)算得到雜原子中N原子存在于1個(gè)吡咯環(huán)及1個(gè)吡啶環(huán)中,O原子存在于4個(gè)酚羥基及1個(gè)羧基中。使用ACD/Labs軟件對(duì)樣品的初始大分子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行構(gòu)建并進(jìn)行~(13)C-NMR譜圖模擬計(jì)算,將模擬譜圖和實(shí)驗(yàn)譜圖的進(jìn)行對(duì)比后,對(duì)模型進(jìn)行修正得到和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好的大分子化學(xué)結(jié)構(gòu)模型,結(jié)構(gòu)模型的化學(xué)分子式為C_(174)H_(148)O_5N_2。4、采用分子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)方法在Materials Studio軟件中對(duì)一個(gè)大分子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化退火后,得到能量最小幾何構(gòu)型,優(yōu)化結(jié)果表明經(jīng)過(guò)優(yōu)化后芳香結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了彎曲變形,范德華力能和鍵伸縮能都有不同程度的降低,而對(duì)應(yīng)的是鍵角能和鍵扭轉(zhuǎn)能均出現(xiàn)增加,通過(guò)添加邊界條件模擬得到密度模擬結(jié)果表明大分子結(jié)構(gòu)模型的密度分別1.45 g/cm~3。采用VAMP模擬模塊來(lái)計(jì)算大分子化學(xué)結(jié)構(gòu)模型中的鍵長(zhǎng)、鍵級(jí)和電荷布居數(shù)作為主要結(jié)構(gòu)參數(shù),通過(guò)對(duì)參數(shù)的分析可以得到芳香結(jié)構(gòu)中C-C鍵鍵長(zhǎng)相比脂肪烴C-C鍵鍵長(zhǎng)較短,鍵級(jí)較大,故芳香結(jié)構(gòu)化學(xué)穩(wěn)定性相比于脂肪烴較高。5、在材料化學(xué)模擬平臺(tái)ADF軟件中分別對(duì)大分子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行不同條件下的熱解模擬。(1)在等溫條件下進(jìn)行熱解模擬通過(guò)分析可以得出,隨著溫度升高,模擬系統(tǒng)內(nèi)的總分子數(shù)、總能、勢(shì)能、鍵能的變化趨勢(shì)為隨著時(shí)間的推移逐漸增大,而旋轉(zhuǎn)能以及范德華能的變化趨勢(shì)為隨著時(shí)間的推移逐漸減小;不同的溫度下模擬系統(tǒng)內(nèi)的總分子數(shù)、總能、勢(shì)能、鍵能、旋轉(zhuǎn)能以及范德華能的變化規(guī)律基本一致。(2)在不同升溫速率條件下的熱解模擬通過(guò)分析可以得出,隨著升溫速率的變大,模擬體系內(nèi)的總分子數(shù)、總能、勢(shì)能、鍵能、旋轉(zhuǎn)能以及范德華能的變化程度越來(lái)越大。6、TG/MS熱解實(shí)驗(yàn)中以熱解主要產(chǎn)物CH_4為例,經(jīng)分析煤熱解過(guò)程中主要有三類(lèi)反應(yīng)產(chǎn)生CH_4:熱解過(guò)程中煤中較短的脂肪鏈地?cái)嗔�、甲氧基上的甲基脫落、醇�?lèi)官能團(tuán)的脫落以及長(zhǎng)鏈脂肪烴的二次裂解出來(lái)甲基繼而生成CH_4;煤中的與芳香核、環(huán)烷烴相連的甲基由于外界高溫的作用致使甲基脫落繼而生成CH_4;煤中的芳香結(jié)構(gòu)由于縮聚作用生成脂環(huán)結(jié)構(gòu)后由于外界高溫的作用致使甲基脫落繼而生成CH_4。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TQ530

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本文編號(hào)：2702942