褐煤低温氧化下表面活性基团变化的量子化学计算及自然发火期的预测

摘要

本文选取较易自燃的小龙潭褐煤为研究对象，在对其自燃特性研究的基础上，从理论计算和实验研究两个角度得到各活性结构参与反应的难易和低温氧化过程的变化规律，推测低温氧化的反应机理和反应方程式，通过程序升温实验和化学反应前后的键能变化计算出低温氧化过程的放热强度和最短自然发火期，从而对煤自燃过程进行了系统地研究，对于运用自燃规律预测和防治煤炭自燃具有重要的理论和实践意义。
　　首先，通过分析原煤的红外光谱和XPS谱图构建褐煤基本结构单元，并对基本结构单元进行结构优化和频率计算。结果表明，最活泼的是与芳环相连的α碳原子，其次是脂肪链上甲基、亚甲基中的碳原子和与羟基或醚相连的α碳原子，最稳定的是羰基或羧基中与氧原子相连的碳原子或氢原子；四种主要含氧官能团反应活性顺序由大到小是依次：羟基、醚、羰基和羧基；煤低温氧化的主要反应物是脂肪链、芳环的α碳原子、羟基和醚，主要生成物是羰基和羧基。
　　然后，通过红外光谱和XPS谱图分析了煤样的活性结构在低温氧化过程中的变化规律。结果表明，煤低温氧化过程中主要是烷烃和羟基发生反应，在低温阶段（100℃之前）醚也是反应物，它们与氧发生反应放出热量致使煤温升高，从而进一步加速煤氧复合，故影响煤自燃的关键基团是烷烃、羟基和脂醚。在100℃之前，甲基、亚甲基与碳氧单键作为主要反应物的反应比例约是1.5:1，羰基和羧基作为主要生成物的生成比例约是1:2。
　　最后，通过程序升温实验和煤氧复合反应方程式计算得到耗氧速率、CO和CO2的生成速率以及反应过程的热效应，并结合实验结果确定了煤样的最短自然发火期。结果表明，根据键能变化计算得到生成CO的热效应ΔHCO=311.86kJ/mol，生成CO2的热效应ΔHCO2=445.40kJ/mol，第二步化学反应热效应第二步ΔH=271.53kJ/mol。最终建立煤自然发火期计算模型，计算得出，煤体升温至不同温度所需的时间与温度呈递减趋势，小龙潭褐煤的最短自然发火期为55.77天。

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变量注释表

1 绪论

1.1研究背景（Research Background）

1.2研究意义（Research Meaning）

1.3研究思路（Research Thought）

1.4研究内容（Research Content）

2 文献综述

2.1煤自燃概况（Summary ofCoal Spontaneous Combustion）

2.2 煤的结构（Coal Structure）

2.3煤自燃机理研究方法及进展（Coal Spontaneous Combustion Mechanism Research Methods and Progress）

2.4本章小结（Chapter Summary）

3 褐煤的基本性质与自燃性研究

3.1煤质分析(Analysis of Proximate and Ultimate)

3.2褐煤表面形貌分析（Analysis ofLignite Surface Morphology）

3.3褐煤热重分析(Thermogravimetric Analysis of Lignite)

3.4褐煤自燃倾向性鉴定(Propensity of Lignite Spontaneous Combustion)

3.4本章小结（Chapter Summary）

4 褐煤基本结构单元的构建及量子化学研究

4.1原煤红外光谱测试分析(Infrared Spectrum Analysis of Raw Coal)

4.2原煤XPS测试分析（XPS Aanalysis of Raw Coal）

4.3构建褐煤基本结构单元(Construction Lignite Basic Structural Unit)

4.4褐煤基本结构单元的量子化学研究（Quantum Chemical Study of Lignite Basic Structural Unit）

4.5本章小结（Chapter Summary）

5 褐煤低温氧化活性结构变化研究

5.1褐煤低温氧化过程的红外光谱分析(Analysis of Infrared Spectrum in the Low-temperature Oxidation Process of Lignite)

5.2褐煤低温氧化过程的XPS分析（Analysis of XPSin the Low-temperature Oxidation Process of Lignite）

5.3本章小结（Chapter Summary）

6 褐煤的热效应及最短自然发火期的计算

6.1褐煤程序升温指标气体分析(Analysis ofIndexGasof Lignite Based on Programmed TemperatureExperiment)

6.2褐煤低温氧化热效应计算（Calculation of Thermal Effectsin the Low-temperature Oxidation Process of Lignite）

6.3褐煤最短自然发火期的预测（Prediction of Min-period of Lignite Spontaneous Combustion）

6.4本章小结（Chapter Summary）

7 结论与展望

7.1 结论（Conclusions）

7.2展望（Prospects）

参考文献

作者简历

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