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基于量子化学计算的煤低温氧化放热强度
煤分子结构是影响煤氧化放热特性的根本原因。以水峪 (SY) 烟煤为研究对象，采用量子化学计算与工业和元素分析、傅里叶变换红外光谱 (FT-IR)、X 射线光电子能谱 (XPS)、程序升温、 差示扫描量热等相结合的方法，构建并优化 SY 煤的三维分子模型，并对煤的低温氧化放热强度进行研究。
研究成果如下:SY 煤的变质程度较高，其中碳元素主要以四取代的芳香烃和环烷烃形式存在，氮和硫元素主要以具有芳香性的吡咯和噻吩形式存在;碳氧官能团中醚氧键 (C—O)、羰 基 (C= O) 和羧基 (COO—) 的比例约为 1.5∶1∶1.5，煤中氢键主要以羟基自缔合氢键为主。构建SY 煤三维层状结构模型的分子式为 C203H140O18N2，分子量为 2 893.01，确定煤低温氧化过程中的 6种活性基团分别为:
;在煤的低温氧化阶段，前3种活性基团未发生开环反应，主要生成环己酮和 H2O，后3种活性基团可发生 多步反应至最终产物为CO和CO2。基团发生彻底氧化反应生成CO和CO2 的反应热分别为ΔH2= −591.88 kJ/mol、ΔH3=−718.10 kJ/mol，未发生彻底氧化反应的最小反应热为ΔHmin =−366.99 kJ/mol， 最大反应热为ΔHmax =−535.07 kJ/mol;结合耗氧速率、CO产生速率和CO2产生速率，可计算得到 SY 煤在不同低温氧化阶段的放热强度，与差示扫描量热实验所得放热强度相比，计算值和实验值基本一致，说明采用量子化学方法计算煤放热强度的可行性。
图 1 SY 煤红外光谱拟合结果
图 2 SY 煤 XPS 谱图
图 3 优化前后 SY 煤分子结构模型
图 4 SY 煤结构模型部分原子间键长和净电荷
图 5 SY 煤低温氧化过程中 O2、CO 和 CO2 体积分数变化
图 6 SY 煤在不同温度下热流曲线
图 7 SY 煤在不同温度下放热量的计算值和实验值
高飞，女，1984年7月28日生，辽宁葫芦岛人，辽宁工程技术大学副教授、硕士生导师，辽宁工程技术大学安全工程专业系主任。主持并完成国家自然基金面上项目1项、辽宁省教育厅项目1项，企业横向课题1项，在《Fuel》《ACS Omega》《Adsorption Science & Technology》《煤炭学报》《煤炭科学技术》等国内外知名期刊发表SCI和EI检索论文50余篇，授权发明专利3项，获得省部级科技奖励4项、教学成果奖1项，被授予辽宁省“百千万人才”万层次人选，辽宁工程技术大学优秀教师、优秀共产党员、“最美教师”等称号。
研究方向
矿井火灾防治、二氧化碳封存
主要成果
在煤自燃机理及防治方面取得多项创新性成果：建立了基于活性基团计算煤氧化放热强度的方法，计算值与实验值基本一致，可根据煤分子结构定量预测煤的氧化自燃特性。研发煤吸附实验系统考察不同温压和气氛下煤的吸附行为，证明电厂烟气注入采空区防火与封存的可行性。将不同惰气氛围下煤的自然发火特性与煤结构建立联系，解析不同惰气氛围下煤吸附和自燃过程煤结构的演变规律，从结构尺度揭示N2、CO2和烟气抑制煤氧化自燃反应的机理。研发谷胱甘肽等抗氧剂型阻化剂，揭示化学阻化剂的阻化效率和机理，为化学阻化剂在煤炭自燃领域的应用提供理论依据。
来源：
高飞，白企慧，贾喆，等. 基于量子化学计算的煤低温氧化放热强度[J]. 煤炭学报，2023，48(9):3428−3440.
