高硫煤中有机硫脱除理论与实验研究

摘要

煤炭作为我国的主要能源，在我国的经济发展中一直充当着重要的角色，然而其燃烧时产生的污染又与当今提倡的绿色可持续发展战略相违背，因此对于煤中的硫组分，特别是有机硫的脱除一直是研究的重点。随着计算机的发展与相关软件的开发，量子化学计算在煤炭脱硫中的应用越来越广泛。本文通过煤的组分分析、微波的热效应分析、非热效应分析后，应用量子化学计算软件对含硫化合物进行探究，将微波场简化为电场，对微波作用下煤中有机硫的响应做出分析。
　　本文以新峪精煤为研究对象，通过族组分分离实验及XPS分析得出:新峪精煤及各族组份中可溶性含硫组份的有机硫相对含量按“原煤＞煤重质组＞煤密中质组＞煤疏中质组”降低，而其组成结构的复杂性程度按“煤重质组＞精煤＞煤疏中质组＞煤密中质组”降低。并通过对溶于有机溶剂的小分子化合物进行分析，推理出煤中3种噻吩类硫，4种硫醇硫醚类硫和5种（亚）砜类含硫模型化合物。对不可溶物进行分析，构建出3种大分子结构模型:煤轻质组的结构模型、煤疏中质组的结构模型及煤疏重质组结构模型。
　　同时通过相似结构小分子模型化合物的热重分析，得出硫醚、亚（砜）及噻吩类化合物的热解断裂的起始温度逐渐增加的结论，即三种化合物中硫醚的热断裂温度最低，噻吩类化合物中的温度应该最高。
　　为了证明微波的非热效应的存在，本文对四苯基噻吩进行了拉曼光谱实验和同温度下的水浴加热实验，通过对实验后分子结构分析，发现分子内部结构发生差异，证明了微波的非热效应存在。同时对三类化合物进行研究，通过对2GHz～18GHz下的复介电常数实部和耗损角正切值变化曲线得出在模型化合物中硫醚类和（亚）砜类模型化合物较噻吩类模型化合物对微波的响应更大，表明这两类含硫化合物较噻吩类化合物中的硫原子更容易脱除。
　　最后依托Material studio软件平台中的Dmol3模块对煤中有机硫模型化合物部分进行量子化学计算研究，通过外加不同强度的电场发现无论噻吩、硫醚及（亚）砜类含硫化合物中其大多数分子的C-S键会随外加电场的增大而逐渐变长，并且偶极矩也逐渐变大，键角逐渐发生单向变化，这都表明外加电场会导致含硫化合物分子的极性增加，最终导致C-S键或者S-S键的断裂。同时对大分子结构模型中的煤疏中质组的结构模型进行计算，计算结果表明分子结构中的C-S键的键长较其他化学键长，而键级比其他化学键小，因此可以得出在煤疏中质组的结构模型中C-S键结合能较小，在外加能量场作用下应优先断裂，从而从微观角度为有机硫脱除提供理论基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景和研究意义

1．2 煤炭脱硫的国内外研究现状

1．3 研究内容

1．4 研究目的

1．5 研究方法

2 微波脱硫的理论基础

2．1 微波工作的基本原理

2．2 红外拉曼光谱分析

2．3 X射线光电子能谱原理

2．4 量子化学基本原理

2．4．1 薛定谔方程

2．4．2 密度泛函理论

3 新峪煤样有机硫化合物探究

3．1 原煤煤质的工业分析与元素分析

3．2 新峪精煤的赋存规律

3．2．1 煤样组分分离实验

3．2．2 新峪精煤族组组分间的赋存规律

3．2．2 新峪精煤族组组分内的赋存规律

3．3 煤中各族组分骨架(含硫)的分子结构模型

3．3．1 新峪煤样溶出物中小分子(含硫)结构模型

3．3．2 新峪煤样中各族组分大分子(含硫)结构模型

3．4 本章小结

4 微波脱硫的热效应研究

4．1 热重分析实验

4．2 热重实验数据分析与研究

4．2．2 (亚)砜类模型化合物的热重分析

4．2．3 噻吩类模型化合物的热重分析

4．3 本章小结

5 微波脱硫的非热效应研究

5．1 有机含硫结构的拉曼光谱分析

5．2 微波辐照前后煤中有机硫相对含量变化

5．3 煤模型化合物对微波响应实验

5．3．1 新峪精煤复介电常数分析

5．3．2 硫醚类含硫模型化合物复介电常数分析

5．3．3 (亚)砜类含硫模型化合物介电常数分析

5．3．4 噻吩类含硫化合物介电常数分析

5．4 本章小结

6 煤中有机硫化合物的量子化学研究

6．1 微波场的简化

6．2．Material Studio软件简介

6．3 煤中小分子结构模型化合物量子化学研究

6．3．1 模型建立与参数设定

6．3．2 分子结构几何优化

6．3．3 计算结果及分析

6．4 煤中大分子结构模型化合物量子化学研究

6．4．1 模型建立与参数设定

6．4．2 分子结构几何优化

6．4．3 计算结果及分析

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果