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        煤熱解過程中Na對吡啶氮遷移釋放的影響機(jī)理

        2021-06-02 14:01:18樊俊杰鄧加曉任志遠(yuǎn)
        燃料化學(xué)學(xué)報 2021年5期
        關(guān)鍵詞:影響模型

        張 蓓,樊俊杰,鄧加曉,任志遠(yuǎn)

        (上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海200093)

        煤炭是中國的主體能源之一,根據(jù)2020年BP世界能源統(tǒng)計年鑒,全球煤炭產(chǎn)量相比于2019年增長了1.5%,其中,中國的增幅最大,達(dá)到3.2 EJ;中國煤炭消費相比于2019年也增長了1.8 EJ,表明在較長時間內(nèi)中國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)狀況很難發(fā)生改變[1]。氮氧化物(NOx)是煤燃燒過程產(chǎn)生的主要污染物之一,NOx排放到環(huán)境中會導(dǎo)致光化學(xué)煙霧、酸雨等環(huán)境問題,在氣化時煤中的氮會在還原性氣氛下生成NH3和HCN,其中,氣化系統(tǒng)中NH3導(dǎo)致的銨鹽結(jié)晶會影響系統(tǒng)的安全長周期運(yùn)行,含氰廢水也提高了污水處理的成本[2]。無論煤的燃燒還是氣化,其首先發(fā)生的是煤的熱解,故氮在熱解過程中的轉(zhuǎn)化行為被廣大研究學(xué)者廣泛關(guān)注。Tian等[3,4]、Chang等[5]研究表明,煤熱解過程中形成的NOx主要前驅(qū)物為HCN和NH3,HCN的生成明顯快于NH3,是揮發(fā)分氮轉(zhuǎn)化的主要產(chǎn)物,也是煤燃燒過程中NOx形成的主要來源之一。因此,研究煤粉熱解過程中氮的遷移釋放規(guī)律對認(rèn)識和控制整個燃燒過程中的NOx生成、進(jìn)行NOx危害評價和排放法規(guī)制定具有重要意義。此外,礦物作為煤的固有成分,對煤的熱化學(xué)反應(yīng)過程有著重要的影響[6,7]。研究表明,煤中含Na、Ca、K等的礦物質(zhì)對熱解過程中氮釋放具有一定影響[8?10],且Na起著關(guān)鍵作用。王永剛等[11]通過酸洗脫礦對比實驗研究發(fā)現(xiàn),Na的存在對勝利褐煤中氮向HCN轉(zhuǎn)化具有一定抑制作用,有利于其向NH3轉(zhuǎn)化。Yasuo等[12]通過固定床熱解試驗發(fā)現(xiàn),低溫?zé)峤鈼l件下NH3是主要的含氮產(chǎn)物,且在450?600℃時,添加NaOH、KOH或Ca(OH)2能促進(jìn)NH3生成而抑制HCN生成。鄭盼盼等[13]同樣發(fā)現(xiàn),負(fù)載Na對煤中氮轉(zhuǎn)化為HCN表現(xiàn)為抑制作用,但Na對氮轉(zhuǎn)化為NH3的促進(jìn)/抑制作用隨溫度的不同而不同。Zhang等[14]利用密度泛函理論與波函數(shù)理論探究了Na對焦炭非均相還原的微觀作用機(jī)理,計算結(jié)果表明,Na的添加會加快NO非均相還原的反應(yīng)速率,通過類“氧化-還原”過程影響反應(yīng)的進(jìn)行。劉吉等[15]采用量子化學(xué)方法探究了堿金屬離子(Na+、K+)對煤的含氮模型化合物吡咯熱解生成HCN的影響,結(jié)果表明,Na+和K+能有效降低吡咯熱解生成HCN速率決定步驟的活化能。

        綜上所述,堿金屬Na對煤熱解過程中氮的遷移轉(zhuǎn)化具有一定的影響,但前人多采用實驗方法進(jìn)行研究,而Na對煤中氮的遷移釋放機(jī)理研究較少,且大部分僅從反應(yīng)路徑能壘角度進(jìn)行分析,而從分子軌道及電荷角度上更深層次的研究報道極少。本研究選擇七元環(huán)Zigzag邊緣模型,利用密度泛函理論對煤中吡啶氮的遷移轉(zhuǎn)化過程進(jìn)行量子化學(xué)計算,詳細(xì)分析了Na對煤熱解過程中氮轉(zhuǎn)化的影響,為深入研究燃煤過程中NOx的形成及其控制機(jī)制提供理論支撐和依據(jù)。

        1 計算方法

        1.1 含氮化合物模型的選擇

        基于Zigzag焦炭模型的幾何參數(shù)與實驗參數(shù)一致性,Zigzag型結(jié)構(gòu)通常被用作計算的理想模型[16,17]。高溫下氮主要以吡啶氮形式存在,含吡啶氮的煤模型已成功用于模擬含氮碳表面反應(yīng)[18,19]。煤中鈉主要以有機(jī)和無機(jī)兩種形態(tài)存在,高溫時鈉會以Na原子、NaCl等形式揮發(fā)到氣相中[20?22]。在模擬金屬元素對煤相關(guān)反應(yīng)影響時,通常采用向模型中修飾金屬原子的方法[23,24]。因此,本文采用含吡啶氮的七環(huán)Zigzag型結(jié)構(gòu)作為含氮含碳模型,采用含Na原子的模型作為含鈉煤模型。通過比較添加Na前后氮遷移路徑的變化,揭示Na在HCN和NH3形成機(jī)制中的作用。具體的模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 煤中主要含氮化合物吡啶Zigzag模型結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure diagram of Zigzag model for main nitrogen compounds in coal

        1.2 計算方法

        本研究基于過渡態(tài)原理和密度泛函理論(DFT),采用量子化學(xué)軟件Gaussian 09程序[25]進(jìn)行吡啶型氮的反應(yīng)路徑計算。M06-2X泛函[26]可以合理描述色散作用,并獲得更可靠的過程能壘。相比B3LYP而言,可以更有效地用于描述金屬與有機(jī)化合物之間的反應(yīng)[27,28]。因此,中間體和過渡結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和頻率分析都是在無限制的M06-2X方法和6-311g(d)基組上進(jìn)行的,所有計算都在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的基態(tài)下進(jìn)行。在頻率計算過程中,確保反應(yīng)物、中間體以及產(chǎn)物沒有虛頻,確認(rèn)過渡態(tài)有唯一虛頻,并用內(nèi)稟反應(yīng)坐標(biāo)(IRC)計算來驗證過渡態(tài)連接正確的反應(yīng)物和產(chǎn)物。活化能Ea由Arrhenius方程線性化確定,即ln(k)vs.1/T。對數(shù)阿倫尼烏斯公式見式(1):

        2 結(jié)果與討論

        2.1 Na對煤中吡啶氮熱解釋放HCN的影響

        圖2 、圖3顯示了煤熱解過程中吡啶氮生成HCN的反應(yīng)路徑,對應(yīng)生成HCN的反應(yīng)能壘如圖4所示,煤在無Na和Na存在下的熱解過程分別用藍(lán)線和紅線表示。由圖2可以看出,煤中吡啶氮熱解釋放HCN主要有六個過程,即N原子從吡啶環(huán)上剝離(R1→IM1)、N原子的遷移(IM1→IM2、IM2→IM3)、含N五元環(huán)的形成(IM3→IM4)、?CN自由基的形成(IM4→IM5)、?CN自由基從煤表面脫附(IM5→P1)以及?CN與H自由基相互作用釋放HCN。煤中含有Na等堿金屬,熱解過程中揮發(fā)釋放的Na只引起原子間距離的微小變化,并沒有改變吡啶氮熱解生成HCN的主要過程,說明Na不參與吡啶氮中氮的遷移過程,只對HCN的形成起催化作用。

        圖3 加Na吡啶氮熱解生成HCN的反應(yīng)過程Figure 3 Pyrolytic reaction pathways based on coal to generate HCN with presence of Na

        圖4 煤熱解過程中生成HCN的反應(yīng)能壘圖Figure 4 Reaction energy for the formation of HCN in pyrolysis process

        速率決定步驟是決定反應(yīng)過程速率和難度的關(guān)鍵步驟,由每個步驟的活化能決定。通過比較各反應(yīng)的能壘,R1熱解過程中R1→IM1的能壘明顯高于其他步驟,說明煤熱解生成HCN的速率決定步驟是N原子從苯環(huán)中剝離。在Na存在下,N從吡啶環(huán)(R2→IM1)上剝離的反應(yīng)能壘遠(yuǎn)高于其他步驟,表明該步驟是反應(yīng)的速率決定步驟。因此,在煤熱解生成HCN的過程中,Na的加入不會改變反應(yīng)的速率決定步驟,但在Na存在下的煤熱解速率決定步驟的能壘值(378.31 kJ/mol)比沒有Na的(271.24 kJ/mol)高107.07 kJ/mol,表明煤熱解過程中Na的揮發(fā)釋放對HCN的生成有明顯的抑制作用[9,29]。根據(jù)Na對煤表面電荷分布的影響可以分析Na的抑制作用。從圖5可以看出,在沒有Na的情況下,R1表面N5和C6原子電荷分別為?0.343和0.152,而Na存在下R2上原子電荷分別為?0.705和0.449,這表明Na的加入改變了煤表面的電荷分布,顯著提高了N5和C6原子間鍵合力,這就需要更高的活化能來打破N5?C6鍵,并克服更高的能壘將N5原子從六元環(huán)中剝離出來。

        圖5 R1和R2表面原子的Mulliken電荷分布示意圖Figure 5 Mulliken atomic charges of R1 and R2

        圖6 中(a)和(b)表明,Na顯著增加了N、C原子對前線軌道的貢獻(xiàn),增強(qiáng)了C原子的反應(yīng)活性,使?CN自由基形成過程中N?C鍵更容易斷裂。進(jìn)一步分析圖7發(fā)現(xiàn),在Na存在下,IM4的Mulliken原子電荷顯示出N5?C7的原子間力是庫侖引力,它們的斷裂必須克服較高的勢壘,因此,Na的存在顯著增加了C原子的活性,對?CN自由基的形成有顯著的影響。

        圖6 Na對IM4 HOMO/LUMO軌道的影響Figure 6 Effect of Na on HOMO and LUMO of IM4

        圖7 Na存在下IM4表面原子的Mulliken電荷分布示意圖Figure 7 Mulliken charge distribution of IM4 surface atoms in the presence of Na

        2.2 Na對煤中吡啶氮熱解釋放NH3的影響

        圖8 給出了煤熱解過程中吡啶氮生成NH3的反應(yīng)路徑,圖9為Na存在下NH3的生成路徑,煤熱解生成NH3的反應(yīng)能壘如圖10所示。由圖8可知,煤熱解過程中NH3的生成主要有四個過程,即N原子從苯環(huán)中剝離(R1→IM1)、N原子遷移并伴隨著五元環(huán)的形成(IM1→IM2)、H自由基攻擊N位形成?NH2自由基(IM3的形成)以及?NH2從煤表面解吸(IM3→P1)的過程。

        圖8 吡啶氮熱解釋放NH3的反應(yīng)過程示意圖Figure 8 Pyrolytic reaction pathways based on coal to generate NH3

        圖9 含Na條件下吡啶氮熱解釋放NH3的反應(yīng)過程示意圖Figure 9 Pyrolytic reaction pathways based on coal to generate NH3 with presence of Na

        圖10 煤熱解過程中生成NH3的反應(yīng)能壘圖Figure 10 The reaction energy for the formation of NH3 in pyrolysis process

        通過對比圖8和圖9可以看出,Na存在條件下,煤熱解經(jīng)歷了相同的四個主要過程,而Na的存在只引起N遷移過程中原子間距離的微小變化,說明Na不參與吡啶氮中氮的遷移過程。

        比較R1熱解生成NH3的反應(yīng)能壘,可以明顯發(fā)現(xiàn)?NH2從煤表面解吸,即IM3→P3這一過程的能壘值明顯高于其他步驟,說明煤熱解生成NH3的速率決定步驟是煤表面?NH2的解吸。在Na存在下,IM3→P2的能壘明顯高于其他步驟,因此,煤表面?NH2的解吸也是NH3生成的速率決定步驟。綜合分析R1和R2熱解過程中的能量變化,發(fā)現(xiàn)Na的加入并沒有改變NH3生成的速率決定步驟。但Na存在條件下,反應(yīng)的速率決定步驟能壘(299.95 kJ/mol)明顯低于無Na時(571.3 kJ/mol)的能壘值,說明煤熱解過程中Na的揮發(fā)釋放對煤熱解過程沒有影響,但是基于Na對煤表面活性的促進(jìn)作用[30],有利于NH3的生成。由圖11電荷布局分析可知,Na不存在時IM3表面N5的原子電荷為?0.918,相較Na存在時的?1.022降低了0.104,而C7原子電荷在Na不存在下為0.351,Na存在時為0.047,降低了0.304,表明加入Na顯著降低了N5和C7原子間鍵合力,較低的活化能便可打破N5?C7鍵,促進(jìn)?NH2的形成。進(jìn)一步分析圖12同樣可以發(fā)現(xiàn),Na顯著增加了煤表面C和N原子對前線軌道的貢獻(xiàn),并增強(qiáng)了相鄰C和N原子的活性,促進(jìn)–NH2在煤表面的遷移釋放。此外,文獻(xiàn)報道[31]:煤升溫?zé)峤膺^程中NH3主要由煤中含氮結(jié)構(gòu)加氫裂解形成,Na對于煤中氮熱解轉(zhuǎn)化為NH3具有一定的影響,可以促使煤中更多的含氮結(jié)構(gòu)裂解生成NH3并釋放到氣相中,與計算結(jié)果吻合。

        圖11 IM3表面原子的Mulliken電荷分布示意圖Figure 11 Mulliken atomic charges of IM3

        圖12 Na對IM3 HOMO/LUMO軌道的影響Figure 12 The effect of Na on HOMO and LUMO of IM3

        3 結(jié)論

        煤熱解釋放的Na對吡啶氮轉(zhuǎn)化生成NH3和HCN的反應(yīng)路徑?jīng)]有影響。

        Na的存在增強(qiáng)了苯環(huán)中N、C原子間鍵合力,煤熱解生成HCN的決速步能壘值比沒有Na的高107.07 kJ/mol,Na提高了吡啶氮熱解生成HCN路徑中決速步的活化能,抑制HCN的形成。

        Na的存在增加了煤的表面活性,煤熱解生成NH3的速率決定步驟能壘(299.95 kJ/mol)比不含Na的(571.3 kJ/mol)低271.35 kJ/mol,Na能明顯降低吡啶氮熱解生成NH3路徑中決速步的活化能,促進(jìn)NH3的形成。

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