杂原子类煤结构模型化合物的热解及含硫化合物脱除的量子化学研究

【摘要】： 煤中氧、氮和硫在煤的利用过程中起着不容忽视的作用。氧在煤中存在的总量和形态直接影响煤的性质,而氮和硫在煤的热解过程中释放出的NOx和SO2对环境造成污染。尤其是含硫的热解煤气会对后续的工艺造成影响,如:催化剂的中毒,设备的腐蚀等。因此,如何有效地将煤中的氧转化成化工产品,且有效地控制煤利用过程中污染物质的释放一直是煤化工领域的一个研究课题。量子化学的迅速发展使得从分子结构和反应机理方面探讨煤热解过程中氧、氮和硫的迁移和释放以及热解煤气中主要含硫化合物的脱除等成为可能。 本文根据典型的动力煤热解产物的信息,选取和构建了一系列合适的类煤结构含氧、含氮和含硫的模型化合物,采用量子化学计算方法对这些模型化合物的热解机理进行了详细的研究,总结出煤中氧、氮和硫在热解过程中的迁移和释放规律。对热解煤气中的有机含硫化合物的转化机理和H_2S在脱硫剂作用下的反应机理进行了详细的研究。主要结论如下: (1)类煤结构含氧模型化合物的热解机理 含醚氧键的类煤结构含氧模型化合物苯甲醚热解异构化生成邻甲基苯酚和对甲基苯酚的过程实际存在两条平行的连串反应路径;苯甲醚热解过程中的苯氧基自由基的三种共振结构,给出了甲基取代的环己二烯酮中间体的理论依据;甲基取代的环己二烯酮中间体经不同的分子内H转移路径而生成邻甲基苯酚和对甲基苯酚。 含羧基和羰基的类煤结构含氧模型化合物苯甲酸和苯甲醛的热解机理研究表明:煤中气体分子CO_2、CO的逸出与脱羧、脱羰基反应相对应,羧基的脱除反应活化能较小,即煤中CO_2的产生较CO早;相对于分子内化学键发生均裂的自由基反应机理,脱羧反应经由分子内H转移机理所需活化能较小,是煤低温热解时较易发生的过程,从而得出煤早期脱羧反应与煤的交联并无直接关系。 (2)类煤结构含氮模型化合物的热解机理 对于类煤结构含氮模型化合物喹啉和异喹啉的热解,提出了一个合理的包含了八条反应路径和一个共同的互变异构中间体的机理;中间体1-茚亚胺的两种互变异构结构在喹啉和异喹啉的热解过程中起到了一个中心作用,它决定了热解产物是相同的,并且热解的速率也是相同的;这种中间体的互变异构结构,只有通过量子化学计算才能发现它们的存在以及所起的重要作用。 (3)类煤结构含硫模型化合物的热解机理 确定了类煤结构含硫模型化合物噻吩和苯硫酚热解释放H_2S的反应路径;苯硫酚中的S在热解时迁移导致生成H_2S、CS和噻吩的研究表明:苯硫酚中的S最容易迁移导致H_2S的生成,且能量最有利的路径为硫醇官能团上的H转移到和硫相连的C上,然后S自由基离开并结合煤热解过程中的H自由基生成H_2S;比较噻吩和苯硫酚热解的动力学得出:苯硫酚热解所需要的活化能较小,这表明煤中的噻吩类结构较硫醇类结构稳定。 (4)类煤结构模型化合物热解过程中的分子内H转移 分子内H转移在类煤结构的含氧、含氮和含硫模型化合物的热解过程中普遍存在,并起着重要的作用。其作用可以总结为以下四点:I)分子内H转移为产物的形成提供了更合理的反应路径;II)通过分子内H转移机理能更合理地解释实验现象;III)反应经分子内H转移机理所需的活化能较小;IV)分子内H转移调节产物的分配。 (5)脱硫反应机理 对热解煤气中的有机含硫化合物CS_2的水解分别提出了经COS中间体的两步法反应机理和一步法反应机理,研究表明:CS_2水解转化成H_2S的过程是一步法和两步法竞争的过程。 对热解煤气中的H_2S和有机含硫物质转化生成的H_2S在Fe_2O_3、ZnO、CaO和CeO_2脱硫剂作用下的反应进行了研究,提出了一个详细的脱硫反应机理,其中脱硫剂表面的两类不同形式的自再生过程均有效地促进了脱硫反应的进行;分别对脱硫剂在脱除H_2S过程中所起的催化作用和作为反应物的作用进行了分析,从本质上了解了各脱硫剂的脱硫反应过程;认为增加脱硫剂既含金属又含氧的两性面的比率,是在微观水平上通过催化剂分子改性改进催化脱硫性能的方向。