煤炭学报

作者：张雷, 王兴益, 孙锐, 王卓智, 袁梦帆, 陈登科, 陈永新,

关键词：焦炭, 燃烧, O₂/Ar 预热处理, 密度泛函理论,

煤粉预热燃烧技术和催化燃烧技术可在保证预热焦炭高燃烧效率的同时降低温室气体及氮氧化物的排放。采用原子偶极矩校正的Hirshfeld(ADCH)和静电势(ESP)方法深入揭示O2/Ar预热处理和K原子对预热焦炭(SC-Ar和SC-K-O2Ar)结构特性的影响，并通过密度泛函理论(DFT)探究SC-Ar和SC-K-O2Ar的燃烧机理。结果表明，焦炭内K和酚官能团的存在有效改变了SC-Ar和SC-K-O2Ar的ADCH和ESP特性，其中，C6、C7、C8和C9的ADCH电荷分别由0.18e、0.03e、–0.25e和–0.01e变为–0.41e、0.01e、0.11e和–0.16e。在ADCH有色图中，由于O原子和K原子对电子的吸附能力显著强于C原子，所以，羟基中的H原子和K原子的正电荷特性更显著。K原子的ADCH电荷为0.68e，—OH中的H原子的ADCH电荷为0.34e。由所构建的焦炭燃烧路径可知，SC-K-O2Ar和SC-Ar的燃烧本质为焦炭内芳香环的断裂及重组。在SC-K-O2Ar的燃烧过程中，主要存在2条反应路径(Path 1和Path 2)。其中Path 1的决速步为 \textIM5\xrightarrow\textTS6\textIM6 ，能垒为325.01 kJ/mol，略低于Path 2中决速步( \mathrmIM2'\xrightarrow\mathrmTS3'\mathrmIM3' )的能垒(360.98 kJ/mol)，说明SC-K-O2Ar的燃烧主要遵循反应路径Path 1。SC-Ar的燃烧路径亦有2条(Path 3和Path 4)，Path 3的决速步为 \textR\xrightarrow\textTS1\textIM1 ，能垒为430.34 kJ/mol，Path 4的决速步为 \textR\xrightarrow\mathrmTS1'\mathrmIM1' ，能垒为425.09 kJ/mol，略低于Path 3的决速步能垒，说明SC-Ar的燃烧主要遵循路径Path 4。Path 4的决速步能垒低于Path 1，因此，SC-K-O2Ar的燃烧比SC-Ar更易发生，说明O2/Ar预热处理和K原子可有效促进预热焦炭的燃烧。

来源：2024年第9期

《煤炭学报》期刊编辑部

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