含氮煤焦还原NO反应路径研究

采用量子化学密度泛函理论结合热力学和动力学分析研究了含氮煤焦还原NO的途径;从微观角度探究了含氮煤焦还原NO的间接还原和直接异相还原两种途径,分析了NO还原过程中的能量变化。结果表明,含氮煤焦先产生中间体NH_2再还原NO(间接还原)的过程决速步能垒值较直接异相还原NO的决速步能垒值高183.76 kJ/mol;由能垒角度分析,含氮煤焦与NO直接发生异相还原的过程更为有利。从热力学角度分析,含氮煤焦直接异相还原NO为可自发进行的单向放热反应,较间接还原过程有利。动力学分析结果表明,含氮煤焦间接还原NO的过程决速步速率常数较直接异相还原至少低10个数量级,说明含氮煤焦直接异相还原NO的路径更容易发生。     

基于密度泛函理论的CO_2对NO异相还原影响的机理研究

为深入理解CO_2对NO异相还原的影响,本研究基于密度泛函理论,对CO_2参与下的煤焦-NO异相还原反应机理进行研究,并选取armchair苯环模型模拟焦炭表面。结构优化采用B3LYP-D3/6-31G(d)方法,单点能计算采用B3LYPD3/def2-TZVP方法。研究表明,CO_2吸附后形成的羰基与吸附态NO反应生成CO_2,继而CO_2脱附为后续NO吸附及N_2脱附提供邻近的碳活性位点。热力学研究表明,无CO_2参与条件下,反应放热853.9 kJ/mol,决速步能垒为297.0 kJ/mol;CO_2参与条件下,反应放出593.7 kJ/mol的热量,决速步能垒为214.1 kJ/mol。动力学研究表明,在298.15–1800 K的温度下,CO_2参与条件下的反应速率常数大于无CO_2参与条件下的反应速率常数。综合热力学和动力学研究结果发现,CO_2对NO的异相还原反应具有促进作用。     

煤焦催化HCN还原NO的反应机理

通过量子化学密度泛函理论研究了均相和煤焦催化的HCN还原NO反应机理,计算了反应动力学参数。结果表明,均相还原反应的活化能为306 kJ/mol,而煤焦催化的NO还原反应的活化能为136 kJ/mol。典型再燃温度1 400 K下,HCN异相还原NO的反应速率略小于煤焦异相还原NO的反应速率;HCN参与下的煤焦异相还原NO反应较CO参与下的煤焦异相促还原NO反应更易发生。各组分的吸附顺序对HCN异相还原NO的反应有明显的影响;在典型再燃温度下,NO先吸附时煤焦表面的异相还原反应速率常数为5.28×10~(10),比HCN先吸附时最快反应路径的反应速率常数大一个数量级。煤焦对NO还原具有显著的催化作用;煤焦表面作为NO的还原反应位点,对反应气体具有明显的活化作用。     

含酮基团对煤焦异相还原NO的影响

基于量子化学密度泛函理论和过渡态理论研究了含酮基团对煤焦异相还原NO的影响及其产物发生氧脱附的微观反应机理。计算结果表明，NO更易于吸附在含酮基团煤焦表面。椅形含酮基团强化了煤焦异相还原NO；锯齿形含酮煤焦表面与NO异相反应决速步能垒值（495.45 kJ/mol）大于锯齿形纯碳基煤焦表面与NO决速步能垒值（331.32 kJ/mol），基于锯齿形含酮煤焦模型中的氧浓度不在利于NO还原的范围内而不易于NO的还原。中间产物P1在无CO存在情况下，较纯碳基煤焦表面更易于发生氧脱附而产生表面缺陷；在CO存在条件下，含酮煤焦表面为氧脱附过程提供自由活性位点，降低了过程能垒消耗。     

生物质再燃异相还原NO的分子模拟

基于密度泛函理论和过渡态理论,在分子水平上对焦炭异相还原NO以及碱金属钠的作用机理进行探究。结合单点能的零点能校正以及过渡态的虚频验证,发现钠能够有效促进焦炭对于第一个NO分子的吸附。尽管钠不能改变反应步骤,但可将焦炭异相还原NO决速步的活化能由121.04 kJ/mol降至100.62 kJ/mol;钠的存在使焦炭异相还原NO的指前因子增大且反应速率加快,增加了焦炭边缘的活性位点,强化了焦炭对于NO的异相还原性能。     

N2O在焦炭表面异相生成和分解机理的密度泛函理论研究

选用合理简化的焦炭模型,对煤焦燃烧过程中N₂O的异相生成和分解机理进行了分子水平上的研究。采用UB3LYP/6-31G(d)密度泛函理论方法优化得到了反应路径上反应物、产物、中间体和过渡态的几何构型和各中间反应的活化能和反应焓变。NO与其预先吸附在焦炭表面解离生成的表面氮组分反应生成N₂O的路径有两个,需要克服的势垒分别为69.3kJ/mol和200.0kJ/mol;NO亦可直接与焦炭中的吡啶氮结合释放出N₂O,该反应路径所需克服的最大势垒为418.0kJ/mol。N₂O可在焦炭表面分解释放出N₂,异相分解反应为一步反应,计算所得活化能为100.8kJ/mol。N₂O的异相生成和异相分解反应均为放热反应。采用经典过渡态理论计算得到了各路径中速率控制步骤的反应速率常数。低温条件下,N₂O的异相分解反应速率略低于其异相生成速率,随着温度的升高,两者逐渐接近,说明高温条件有利于N₂O的异相分解。     

焦炭催化CO还原NO的反应机理研究

利用密度泛函理论,研究了焦炭催化作用下CO还原NO的化学反应机理,优化得到了均相反应路径以及在Zigzag和Armchair型焦炭表面上的异相反应路径中所有驻点的几何构型与能量,并对三条反应路径进行了动力学分析。结果表明,均相NO还原反应的活化能为254.06 kJ/mol,而Zigzag型与Armchair型焦炭表面NO异相还原反应的活化能分别为86.94与52.16 kJ/mol,说明焦炭在NO还原反应中能够起到催化作用。在焦炭表面进行的CO还原NO的反应路径经历N_2形成、N_2释放及两步CO_2释放四个阶段,最终生成一个N_2分子与两个CO_2分子。此外,通过对比不同路径下异相反应的能量变化与动力学参数可知,焦炭表面结构对NO还原反应特性存在较大影响;与Zigzag型焦炭表面相比,基于Armchair型焦炭表面的NO还原反应决速步能垒值更低且反应速率更快,表明在Armchair型焦炭表面上的NO还原反应更易进行。     

高碳转化率下热解神府煤焦CO2高温气化反应性

用热天平等温热重法研究了6种不同热解速率和热解终温的神府煤焦在反应温度1200℃～1400℃的CO2气化反应性。研究了高碳转化率下，反应温度、热解终温和热解速率对快速和慢速热解焦高温反应性的影响。结果表明，快速热解焦比慢速热解焦的反应性好；随气化温度的提高，煤焦反应性的总体趋势增强，反应温度1300℃～1400℃时，3种快速热解焦的反应速率出现重叠；碳转化率为90%～98%时，慢速和快速热解焦的平均表观活化能为59.64kJ/mol～105.92kJ/mol和34.47kJ/mol～40.87kJ/mol，且气化反应以扩散控制步骤为主。     

煤炭地下气化反应动力学特性的研究

煤炭地下气化过程中，高温的碳与二氧化碳和水蒸气发生的非均相反应决定了出口煤气的组分和热值。鉴于此，在煤焦与CO2和H2O（g)反应活性实验的基础上，研究了唐山刘庄煤焦与CO2和H2O（g)气化反应的动力学特性，确定了其化反应的速率表达式，得出其反应活化能分别为140．41kJ/mol和171．53kJ/mol。实验结果表明，还原带温度在1000℃-1100℃时，CO2具有较高的还原主;温度达1000℃时，H2O（g)分解可视为不可逆反应，且生成CO的反应速率明显大于生成CO2的反应速率，出口煤气组成中CO的浓度为CO2的7倍多，在上述工作的基础上，建立了“收缩反应核”模型，并分析了多相化学反应速度与温度的关系。     

煤焦吸附和还原NO的动力学研究

利用固定床反应器研究了煤焦吸附和还原NO的动力学,分析了热解温度(500℃～900℃)和矿物质对煤焦脱除NO的影响。结果表明,在程序升温反应(TPR)和等温反应中,随着温度的升高(30℃～600℃),煤焦-NO经历了从化学吸附到还原反应的转变。低温时煤焦脱除NO的动力学符合Elovich方程,原煤焦的起始吸附速率随着温度的升高而增大,脱灰煤焦的起始吸附速率先增大后减小,等温吸附过程中煤焦的活化能随着吸附量的增大而增大。随着热解温度的升高,TPR中煤焦的NO转化率降低,等温还原反应的速率常数减小,高温热解导致煤焦脱除NO的活性降低。矿物质对煤焦-NO的吸附和还原反应存在催化作用。     

钙对焦炭非均相还原NO的微观作用机理:DFT研究

基于密度泛函理论、结合电子结构分析和Mayer键级变化研究了钙对焦炭非均相还原NO的微观作用机理。对焦炭模型进行电子定域化函数和静电势极值点分析发现,焦炭边缘未饱和的碳原子周边表现出高的电子定域性,体系静电势最小值为-101.1 k J/mol,边缘碳活性位存在孤对电子。钙的添加可促进第一个NO分子在焦炭边缘的吸附,但对第二个NO分子的吸附影响不大。钙的添加不改变NO在焦炭边缘的非均相还原反应路径,但可将决速步的活化能由124.4 k J/mol降至91.9 k J/mol。动力学分析发现添加钙后,非均相还原反应的指前因子增大,焦炭边缘的活化位点增多,有利于加快NO非均相还原反应的进行。     

Catalytic gasification of Pakistani Lakhra and Thar lignite chars in steam gasification

采用热重法在常压与700℃~900℃条件下的水蒸气气化过程,对两种巴基斯坦Lakhra和Thar褐煤半焦进行了单一和混合催化剂(即3%钙和5%钠-黑液单一催化剂及一种3%钙和5%钠-黑液混合催化剂)对碳转化率、气化反应速率常数及活化能、有害污染含硫气体相对量的催化效应研究.两者Lakhra和Thar褐煤半焦经直接气化就可获得高的碳转化率,但采用纸浆黑液催化剂可使气化速率变得很快.含灰高的Thar褐煤半焦在纸浆黑液催化气化过程更易生成一些复杂的硅酸盐,从而导致比含灰低的Lakhra褐煤半焦出现一个更低的转化率.在水蒸气气化过程由半焦和纸浆黑液自身所产生的SO2 和 H2S含硫气体可为存在于纸浆黑液中的Ca盐所捕获而完成脱硫过程,但这一过程在低于900℃时更有效.缩芯模型 (SCM)可较好地用来关联转化率与时间的关系并给出不同温度下的反应速率常数k.基于阿累尼乌斯方程预测了反应活化能Ea 和指前因子A.在纸浆黑液和钙混合催化及纸浆黑液催化剂时,Lakhra褐煤半焦的Ea分别为44.7kJ/mol和 59.6kJ/mol明显小于Thar褐煤半焦的Ea=114.6kJ/mol 和 Ea=100.8kJ/mol,同样也小于无催化剂纯半焦气化时Lakhra褐煤半焦的Ea=161.2kJ/mol和Thar半焦的Ea=124.8kJ/mol.     

钠对焦炭非均相还原NO的微观作用机理

基于密度泛函理论研究了钠对焦炭非均相还原NO的微观作用机理。计算结果表明,Na原子可以在焦炭边缘游离,最倾向于吸附在焦炭边缘穴位,释放出174.2 kJ/mol的能量。波函数分析显示,Na原子以强静电吸引的方式与边缘碳原子结合,电子由Na转移到焦炭上。NO以O临近Na原子的方式吸附在焦炭边缘最稳定。Na促进第一个NO分子的吸附,但对第二个NO分子的吸附影响不大。内禀反应坐标计算与Mayer键级分析表明非均相还原通道中Na与O之间经历"结合-分离",通过"氧化-还原"的方式影响反应的进行。N_2分子的化学解吸附步是非均相还原的速控步。采用正则变分过渡态理论进行动力学分析,发现Na对速控步的活化能影响不大,但会增加焦炭上活性位点的数量,加快反应的进行。     

CO2气氛下生物焦气化反应动力学参数的实验研究：Ⅰ.活化能

利用热重分析仪在750~1 000 ℃对四种生物质进行了CO₂等温气化实验。结果表明,各生物质焦的气化反应性随气化温度的升高而增加。用碳转化率为20%时的瞬时气化反应速率r_0.2对反应速率r进行无量纲化,发现在实验温度范围内,各焦炭的无量纲气化反应速率-碳转化率曲线均存在两种变化趋势。利用等转化率法求取了四种生物焦在碳转化率达到20%后的气化反应活化能,发现同一种焦炭的气化反应活化能受碳转化率的影响较小,而不同种类焦炭的活化能主要受到焦中无机矿物成分的影响。各焦炭的活化能与焦中碱金属含量与固定碳含量的比值W_C/W_FC存在近似的线性关系：E=233.9-1 005.7×（W_C/W_FC）。若忽略催化效应的影响,焦炭本征气化反应的活化能趋于某一定值,约为234 kJ/mol。     

钙元素对焦炭表面NO吸附行为的影响:密度泛函理论研究

采用密度泛函理论研究了Ca元素对焦炭表面NO吸附行为的影响。使用周期性石墨烯模型近似模拟实际焦炭表面的石墨化结构,并在石墨烯表面装饰Ca原子(按质量计Ca原子覆盖率为13.3%),考察了Ca元素对焦炭表面NO吸附的催化作用。计算结果表明,NO分子在纯净石墨烯表面的吸附属于物理吸附,结合能仅为-19.34 kJ/mol;石墨烯表面掺入Ca原子后,由于Ca原子4s轨道和3d轨道的电子转移到NO分子,结合能显著提高至-206.02 kJ/mol。