煤的自燃机理及自燃危险性指数研究

论文摘要

长期以来,人们对煤的自燃机理及氧化自燃的难易性做了大量的研究,由于煤自燃过程的复杂性,使问题没有得到根本解决。本论文应用理论和实验相结合的研究方法,建立了煤分子结构模型,应用量子化学理论从微观上研究了煤的氧化自燃机理,并在煤氧化自燃机理研究的基础上提出了煤的自燃危险性指数法判定煤的自燃难易程度。主要研究内容和研究成果概括如下: 煤分子基本结构单元的化学结构研究应用红外光谱技术实验研究了大同煤矿集团、神华神东公司、铁法、阜新、双鸭山和鹤岗等所属矿区的80多种煤样的煤分子的化学结构,分析了煤分子结构的红外光谱图,建立了煤的分子结构模型。分析煤样氧化自燃生成产物的红外3D光谱图谱,煤与氧气发生氧化反应生成H2O、CO2、CO、CH4和C2H4等物质,在温度较低的情况下以上五种物质的生成证明了所建立的煤分子结构模型中苯环侧链基团存在的正确性。应用量子化学密度泛函（DFT）理论计算方法,在B3LYP/6-31G计算水平上,对构建的煤分子化学基本结构单元进行了优化,得到了分子构型参数和振动频率。将理论计算的频率与红外光谱实验得到的频率进行比较,其结果具有一致性,这说明了所建立的煤分子结构是正确的。根据分子轨道理论,煤的氧化自燃反应发生在电荷密度较大的原子部位,煤分子中N92、C61、C99、C95、C74、N122等基团位置的原子在受到氧分子的攻击时,容易发生氧化自燃反应。煤自燃机理的量子化学研究及实验验证

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的目的和意义
• 1.2 煤自燃机理理论研究
• 1.3 煤的分子结构研究
• 1.4 煤炭自燃机理的量子化学研究
• 1.5 煤自燃倾向性鉴定研究
• 参考文献
• 第二章 理论和研究方法
• 2.1 Schro|¨dinger 方程及近似
• 2.2 分子轨道理论
• 2.3 电子相关与多体微扰理论
• 2.3.1 电子相关能
• 2.3.2 组态相互作用理论
• 2.4 密度泛函理论
• 2.4.1 Kohn-Sham 方程
• 2.4.2 Hohenberg-Kohn 变分
• 2.4.3 Lee-Yang Parr 的局域密度近似（LDA）
• 2.5 振动频率的计算
• 2.5.1 转动能量
• 2.5.2 振动能量及量子化处理
• 2.6 化学反应路径-IRC 近似
• 2.7 研究方法
• 2.7.1 研究方法和技术路线
• 2.7.2 研究内容之间的联系
• 参考文献
• 第三章 煤分子基本结构单元的化学结构研究
• 3.1 煤的化学结构模型
• 3.2 结构的红外光谱研究
• 3.2.1 结构的红外光谱实验
• 3.2.2 红外光谱谱图
• 3.2.3 实验煤样红外光谱图谱官能团归属
• 3.2.4 实验煤样氧化自燃生成气体红外光谱研究
• 3.2.5 煤分子基本结构单元的化学结构建立
• 3.3 煤分子化学基本结构单元的量子化学计算
• 3.3.1 计算方法
• 3.3.2 计算结果分析
• 3.3.3 煤分子结构的理论计算与实验结果分析
• 3.3.4 前沿轨道能级与活性的关系研究
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 煤自燃机理的量子化学研究及实验验证
• 4.1 煤分子中最容易与氧气发生化学反应的部位及其化学反应
• 4.2 计算方法
• 4.3 煤分子氧化自燃生成甲烷的反应的计算结果讨论
• 4.3.1 各驻点几何构型
• 4.3.2 IRC 反应路径分析
• 4.3.3 反应位垒的计算
• 4.4 煤分子氧化自燃生成二氧化碳和水的反应的计算结果讨论
• 4.4.1 各驻点几何构型
• 4.4.2 IRC 反应路径分析
• 4.4.3 反应位垒的计算
• 4.5 煤分子氧化自燃生成一氧化碳和水的反应的计算结果讨论
• 4.5.1 各驻点几何构型
• 4.5.2 IRC 反应路径分析
• 4.5.3 反应位垒的计算
• 4.6 煤分子氧化自燃生成乙烯反应的计算结果讨论
• 4.6.1 各驻点几何构型
• 4.6.2 IRC 反应路径分析
• 4.6.3 反应位垒的计算
• 4.7 煤分子氧化自燃生成水反应的计算结果讨论
• 4.7.1 各驻点几何构型
• 4.7.2 IRC 反应路径分析
• 4.7.3 反应位垒的计算
• 4.8 通道间竞争性的讨论
• 4.9 煤氧化自燃机理的实验验证
• 4.9.1 煤氧化自燃过程中不同温度下煤结构和官能团的变化规律研究
• 4.9.2 煤氧化自燃过程中不同温度下的红外光谱图
• 4.9.3 煤氧化自燃过程中的化学结构和官能团变化规律分析
• 4.9.4 实验结果分析
• 4.9.5 煤氧化自燃机理结论
• 参考文献
• 第五章 煤的自燃危险性指数研究
• 5.1 煤对氧气的吸附
• 5.2 煤对氧气的吸附量与煤的自燃倾向性
• 5.3 煤的着火活化能
• 5.4 实验过程
• 5.5 煤氧化自燃反应的动力学研究
• 5.6 实验结果分析
• 5.7 煤的着火活化能本质与自燃危险性指数研究
• 5.7.1 煤的着火活化能的本质
• 5.7.2 煤的自燃危险性指数的定义
• 5.7.3 煤的着火活化能
• 5.8 结论
• 参考文献
• 结论与展望
• 科研成果和论文发表情况
• 致谢