煤炭学报

作者：高飞, 白企慧, 贾喆, 滕弋非, 李应迪,

关键词：放热强度, 低温氧化, 煤结构, 量子化学计算, 活性基团,

煤分子结构是影响煤氧化放热特性的根本原因。以水峪(SY)烟煤为研究对象，采用量子化学计算与工业和元素分析、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、程序升温、差示扫描量热等相结合的方法，构建并优化SY煤的三维分子模型，并对煤的低温氧化放热强度进行研究。研究成果如下：SY煤的变质程度较高，其中碳元素主要以四取代的芳香烃和环烷烃形式存在，氮和硫元素主要以具有芳香性的吡咯和噻吩形式存在；碳氧官能团中醚氧键(C—O)、羰基(C=O)和羧基(COO—)的比例约为1.5∶1∶1.5，煤中氢键主要以羟基自缔合氢键为主。构建SY煤三维层状结构模型的分子式为C203H140O18N2，分子量为2 893.01，确定煤低温氧化过程中的6种活性基团分别为：、、、、、；在煤的低温氧化阶段，前3种活性基团未发生开环反应，主要生成环己酮和H2O，后3种活性基团可发生多步反应至最终产物为CO和CO2。基团发生彻底氧化反应生成CO和CO2的反应热分别为 \Delta H_\text2 =−591.88 kJ/mol、\Delta H_3=−718.10 kJ/mol，未发生彻底氧化反应的最小反应热为\Delta H_\min =−366.99 kJ/mol，最大反应热为\Delta H_\max =−535.07 kJ/mol；结合耗氧速率、CO产生速率和CO2产生速率，可计算得到SY煤在不同低温氧化阶段的放热强度，与差示扫描量热实验所得放热强度相比，计算值和实验值基本一致，说明采用量子化学方法计算煤放热强度的可行性。

来源：2023年第9期

《煤炭学报》期刊编辑部

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