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基本信息

項(xiàng)目名稱：
氧化鈣固硫反應(yīng)的量子化學(xué)研究
小類：
能源化工
簡介：
在B3LYP/6-311++G(d,p)水平上研究了氧化鈣在干法脫硫過程中與二氧化硫反應(yīng)的微觀機(jī)理。通過研究還發(fā)現(xiàn)低溫有利于產(chǎn)物亞硫酸鈣的生成，這與低溫固硫效率高的實(shí)驗(yàn)事實(shí)相符。
詳細(xì)介紹：
目前，在世界范圍內(nèi)控制和減少SO2排放的任務(wù)越來越迫切。鈣基固硫作為最主要的脫硫方式被廣泛關(guān)注。迄今為止，國內(nèi)外有關(guān)鈣基固硫過程的微觀化學(xué)反應(yīng)機(jī)理未見報(bào)道，而這恰恰是設(shè)計(jì)和尋找最佳脫硫工藝所必需的。本作品用量子化學(xué)計(jì)算的方法研究了鈣基固硫過程中的重要反應(yīng)（CaO + SO2= CaSO3）的微觀機(jī)理, 發(fā)現(xiàn)CaO與SO2反應(yīng)生成CaSO3有兩條路徑，弄清了各路徑中原子進(jìn)攻方式及絡(luò)合物異構(gòu)化過程，得到了反應(yīng)勢能面的能級示意圖，并從能量的角度分析了反應(yīng)機(jī)理。本作品以學(xué)術(shù)論文的形式，為進(jìn)一步優(yōu)化脫硫工藝提供了理論支撐，同時(shí)也解釋了工業(yè)上低溫固硫效率高的原因，成果創(chuàng)新性強(qiáng)，具有重要的理論指導(dǎo)意義。

作品圖片

  • 氧化鈣固硫反應(yīng)的量子化學(xué)研究
  • 氧化鈣固硫反應(yīng)的量子化學(xué)研究
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作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

利用量子化學(xué)計(jì)算的方法考察CaO與SO2反應(yīng)的微觀機(jī)理，為工業(yè)脫硫工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

量子化學(xué)計(jì)算在研究化學(xué)反應(yīng)的微觀過程（反應(yīng)物的原子進(jìn)攻方式，絡(luò)合物異構(gòu)化過程中化學(xué)鍵的斷裂和生成，能量的變化等）方面具有很強(qiáng)的優(yōu)越性。我們首次采用Gaussian 03程序在B3LYP/ 6-311++G(d, p) 水平上研究了脫硫過程中氧化鈣與二氧化硫反應(yīng)生產(chǎn)亞硫酸鈣的微觀機(jī)理，從化學(xué)上解釋了CaSO3熱不穩(wěn)定，同時(shí)進(jìn)一步解釋了工業(yè)上低溫固硫效率高的原因。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

通過量子化學(xué)計(jì)算獲得了該反應(yīng)詳細(xì)的路徑和各步能壘，為工業(yè)上CaO脫硫工藝的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，低溫有利于產(chǎn)物亞硫酸鈣的生成，溫度過高將會朝逆反應(yīng)方向進(jìn)行即CaSO3分解。因而在脫硫?qū)嶋H中應(yīng)盡可能采用低溫環(huán)境，同時(shí)應(yīng)及時(shí)將產(chǎn)物移除獲通入氧氣轉(zhuǎn)化為CaSO4。

學(xué)術(shù)論文摘要

在B3LYP/6-311++G(d,p)水平上研究了氧化鈣在干法固硫過程中與二氧化硫反應(yīng)的微觀機(jī)理。優(yōu)化得到了中間體、過渡態(tài)和產(chǎn)物的構(gòu)型及相應(yīng)的能量值。我們發(fā)現(xiàn)CaO與二氧化硫反應(yīng)首先是無勢壘絡(luò)合形成具有鏈狀結(jié)構(gòu)的中間體O1SO2CaO3，隨后鏈端的O1和O3原子分別進(jìn)攻鏈中的鈣原子和硫原子，經(jīng)兩條路徑生成產(chǎn)物亞硫酸鈣。通過比較發(fā)現(xiàn)兩條路徑對產(chǎn)物生成的貢獻(xiàn)差不多相等。

獲獎情況

[1]該研究學(xué)術(shù)論文被2010年《中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集》收錄； [2]2010年在湖北省化學(xué)（化工）創(chuàng)新成果報(bào)告會獲三等獎； [3]2011年獲湖北省第八屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎.

鑒定結(jié)果

本作品利用量子化學(xué)計(jì)算的方法深入地研究鈣基固硫反應(yīng)SO2與CaO生成CaSO3的微觀機(jī)理，研究成果對脫硫來說具有重要的理論指導(dǎo)意義及應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 何正泉,石從云,劉興重,等.氧化鈣固硫反應(yīng)的量子化學(xué)研究,中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集(第四卷).北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2010. [2]“科技綠動世界”中國環(huán)境科學(xué)學(xué)會2010年學(xué)術(shù)年會暨全球華人環(huán)境論壇專題報(bào)道： [3] 王春玉,李紅英,薛士科.煙氣脫硫技術(shù)綜合性能評價(jià)及方案選擇[J].廣東化工,2009,36(196):139-143. [4] 賈小寧.二氧化硫污染控制方法綜述[J].甘肅科技,2005,12(12):138-139. [5] 瞿治誠,黃秉忠.國外煙道氣和廢氣脫硫的現(xiàn)狀[J].中國科技情報(bào)研究所重慶分所,34-44. [6] 薛菲 ,石勁松.煙氣脫硫技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展建議[J].江蘇化工,2001,29(2):32-35. [7] 鄭炳云.二氧化硫的污染及治理[J].二氧化硫的污染及治理,2001,(18)3:13-15. [8] 馬本秀.燃煤電廠煙氣脫硫方案的比較與分析[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2008,18(30):223-224.

同類課題研究水平概述

煤炭資源是目前仍然是世界上主要的能源資源，同時(shí)由于煤炭資源的應(yīng)用引起全世界SO2 的污染也越來越嚴(yán)重，因此嚴(yán)格控制和減少SO2 的排放具有極為重大的意義。 鈣基固硫是目前主要的脫硫方法之一并一直被人們廣泛關(guān)注。田世海等運(yùn)用優(yōu)化組合的多元建模方法，研究了鈣基固硫劑化學(xué)組成與脫硫效果之間的數(shù)量關(guān)系，建立了鈣基固硫劑化學(xué)成分與其脫硫率關(guān)系的優(yōu)化組合的多元模型。實(shí)際運(yùn)行表明，該模型方便了鈣基固硫劑化學(xué)性能的分析及鈣基固硫劑種類的選擇；李秋榮等運(yùn)用化學(xué)熱力學(xué)理論對鈣基脫硫劑的脫硫反應(yīng)的吉布斯函數(shù)（△G），反應(yīng)平衡常數(shù)，平衡時(shí)SO2的分壓進(jìn)行計(jì)算，從而得出脫硫反應(yīng)△G-T的關(guān)系式，計(jì)算不同溫度下的△G，進(jìn)而分析反應(yīng)發(fā)生的可能性；賈瑜等在大量的試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，探討了各種添加劑對鈣基固硫劑脫硫率的影響；中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所袁中山等用熱重法研究了燃煤固硫及催化燃燒一體化添加劑對峰峰煙煤的催化燃燒和催化固硫作用，采用非等溫燃燒反應(yīng)模型和粒子模型，計(jì)算了加入一體化添加劑前后煤的燃燒反應(yīng)動力學(xué)和固硫反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)，對一體化添加劑的催化作用機(jī)理進(jìn)行了分析；Hisa等通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鈣基脫硫劑硫化產(chǎn)物層中固態(tài)離子擴(kuò)散現(xiàn)象; 王宏等研究O2/CO2燃燒方式下石灰石對SO2的脫除機(jī)理，通過靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和動態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種新型燃燒方式有利于降低SO2的排放，發(fā)現(xiàn)SO2脫除存在均相脫硫和多相脫硫的協(xié)同作用；鄭瑛等通過煅燒CaCO3得到具有不同孔隙結(jié)構(gòu)的三種CaO樣品，然后與SO2進(jìn)行反應(yīng)，得到了CaO轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時(shí)間，反應(yīng)溫度以及SO2濃度的變化規(guī)律，從孔隙結(jié)構(gòu)的角度分析了CaO硫化反應(yīng)的控制機(jī)理，同時(shí)對CaO孔隙結(jié)構(gòu)在單純燒結(jié)過程以及硫化反應(yīng)過程中的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，闡明了CaO轉(zhuǎn)化率與其孔隙結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)性。 弄清鈣基固硫過程中的微觀化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對于設(shè)計(jì)和尋找最佳脫硫工藝尤為重要，但遺憾的是，迄今為止關(guān)于這方面的研究未見報(bào)道。我們用量子化學(xué)計(jì)算的方法研究了鈣基固硫過程中的重要反應(yīng)CaO+SO2=CaSO3的微觀機(jī)理, 弄清了反應(yīng)物的分子進(jìn)攻方式和絡(luò)合物異構(gòu)化生成產(chǎn)物的過程，為脫硫工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)，同時(shí)解釋了工業(yè)上低溫固硫效率高的事實(shí)。
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