煤焦-水蒸气气化机理的量子化学研究.pdf

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1、硕士学位论文煤焦-水蒸气气化机理的量子化学研究QUANTUMCHEMICALSTUDYONTHEMECHANISMOFCHAR-STEAMGASIFICATION于鸿胤哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TK224学校代码：10213国际图书分类号：621.18密级：公开工程硕士学位论文煤焦-水蒸气气化机理的量子化学研究硕士研究生：于鸿胤导师：刘辉教授申请学位：工程硕士学科：动力工程所在单位：能源科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:：TK224UDC：6

2、24.18DissertationfortheDegreeofMasterinEngineeringQUANTUMCHEMICALSTUDYONTHEMECHANISMOFCHAR-STEAMGASIFICATIONCandidate：YuHongyinSupervisor：Prof.LiuHuiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerEngineeringAffiliation：SchoolofEnergyScience&EngDateofD

3、efence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要煤气化是煤化工领域关注的热点，其中水蒸气气化的反应性高且能产生更多清洁的可燃氢气，因此被工业广泛应用。限于实验研究方法的局限，相比CO2气化，水蒸气气化机理并未得到充分全面的研究，特别是产氢反应过程。量子化学计算作为一种可靠的理论计算方法，可以直接从分子层面对水蒸气气化的反应过程进行模拟，为实验研究提供理论基础。本文采用量子化学方法在M06-2X

4、/6-31G(d,p)水平下对煤焦-水蒸气气化的反应机理进行理论研究。对Zigact、Zig、Armact和Arm四种煤焦模型进行几何优化、过渡态检索、IRC验证。细致分析四种模型的反应过程，确定多种反应路径。绘制各个反应路径图、能垒图，分析比较不同路径与模型的异同点。四种煤焦模型都需要经历三个反应过程H2O分子吸附、H原子转移以及CO分子脱附。Zigact模型有两条反应路径，其中Zigact1-Zigact7的反应路径为最优反应路径，决速步骤为CO分子的脱附。Zig模型有三条反应路径，需要经过两步的H转移过程。Zig1-

5、Zig12的反应路径为最优反应路径，决速步骤为CO分子的脱附。Zigact模型最终生成物的能量为-48.8（Zigact4）和-12.8（Zigact7）kJ/mol，因此反应过程不能单独发生。Armact模型，有一条反应路径，决速步骤为CO分子脱附。Arm模型有三条反应路径，需要经过两步的H转移过程。Arm1-Arm10的反应路径为最优反应路径，决速步骤为CO分子脱附。Armact模型与Arm模型的适用性都很好。整体上看，锯齿形模型比扶手椅形模型反应性要好，所需要的最小能量更低，在实际气化时提高锯齿形活性位点的数量，将有

6、助于降低反应代价。大多数反应路径的决速步骤为CO分子脱附，实际气化时可以考虑在吸附后加H以及增加CO脱附步数，强化CO脱附过程，将有利于提高气化效率。关键词：煤气化；过渡态；密度泛函理论；水蒸气；量子化学计算I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractCoalgasificationisahotspotinthefieldofcoalchemicalindustry,inwhichthereactionactivityofsteamgasificationishighandcanproducemorecleancomb

7、ustiblehydrogen,soitiswidelyusedinindustry.Limitedtotheexperimentalmethods,themechanismofsteamgasificationhasnotbeenfullystudied,especiallyintheprocessofhydrogenproduction,comparedwithCO2gasification.Asareliabletheoreticalcalculationmethod,quantumchemicalcalculati

8、oncanbeusedtosimulatethereactionprocessofcoal-steamgasificationdirectlyfromthemolecularlevel,whichprovidesatheoreticalbasisfortheexperimentalstudy.Inthi