煤中含氮模型化合物富氧燃烧的ReaxFF反应分子动力学研究

摘要

燃煤过程中产生的NOx和CO2严重影响了人类的健康和生态平衡。富氧燃烧技术是一种综合控制污染物排放的新型洁净燃烧技术，在富氧燃烧烟气循环过程中，CO2和H2O对燃煤过程中氮转化产生重要影响。煤中的氮主要以吡咯和吡啶的形式存在，研究其氮转化与生成反应机理对煤富氧燃烧过程中NOx的排放控制具有重要的理论科学和实践指导意义。
　　ReaxFF-MD是基于键级的反应分子动力学，可连续描述化学键的断裂和生成，为从分子层次认识吡咯和吡啶类氮的反应机理提供了新途径。本文采用该方法研究吡咯和吡啶体系在空气中、富氧条件和O2/H2O条件下的燃烧反应过程，通过分析和统计燃烧过程中的反应物、自由基、主要中间体和最终产物的动态变化，从微观层面揭示不同温度和氧浓度条件下吡咯和吡啶的燃烧反应机理。
　　采用ReaxFF-MD方法研究O2/N2、O2/CO2和O2/H2O条件下吡咯和吡啶的燃烧反应过程。结果表明：吡咯在空气中燃烧的初始反应步骤为脱氢和加氧，吡啶燃烧的初始反应为吡啶C-H键断裂形成H自由基，然后H自由基与O2反应生成HO2。由此可见，采用基于ReaxFF-MD反应分子动力学的方法模拟研究吡咯和吡啶燃烧所得结果是正确的。在O2/CO2气氛下，CO2在温度较低的条件下不参与化学反应；然而，在较高的反应温度条件下，CO2参与化学反应并且抑制了吡咯和吡啶的反应速率。在fuel-rich和stoichiometric条件下，相比于O2/N2气氛，O2/CO2气氛中生成的NO含量较高；然而，在fuel-lean条件下，O2/CO2气氛中生成的NO含量低于O2/N2气氛中生成的NO。在O2/H2O气氛下，高浓度的H2O加快了吡咯和吡啶的反应速率。在fuel-rich、stoichiometric和fuel-lean条件下，相比于O2/N2气氛，O2/H2O气氛中生成的NO含量略高。在不同气氛下，随着温度升高，吡咯和吡啶燃烧生成的含氮中间体达到峰值所需时间缩短；吡咯和吡啶通过含氮中间体向NO的转化率随着氧气浓度的增加而增加。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 富氧燃烧技术

1.3 ReaxFF反应分子动力学方法

1.4 煤中含氮模型化合物研究现状

1.5 本文的研究内容及意义

2 ReaxFF-MD在吡咯和吡啶-空气燃烧模拟中的应用

2.1 引言

2.2 模型构建与模拟方法

2.3 吡咯在空气中燃烧的ReaxFF-MD研究

2.4 吡啶在空气中燃烧的ReaxFF-MD研究

2.5 本章小结

3 富氧条件下吡咯和吡啶燃烧的反应分子动力学研究

3.1 引言

3.2 模型构建与模拟方法

3.3 富氧条件下吡咯燃烧的反应分子动力学研究

3.4 富氧条件下吡啶燃烧的反应分子动力学研究

3.5 本章小结

4 O2/H2O条件下吡咯和吡啶燃烧的反应分子动力学研究

4.1 引言

4.2 模型构建与模拟方法

4.3 高浓度H2O对吡咯燃烧过程的影响

4.4 高浓度H2O对吡啶燃烧过程的影响

4.5 本章小结

5 总结与建议

5.1 全文总结

5.2 下一步建议

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文