基本信息
- 項目名稱：
- 氧化鈣固硫反應的量子化學研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 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的微觀機理。通過研究還發(fā)現(xiàn)低溫有利于產物亞硫酸鈣的生成，這與低溫固硫效率高的實驗事實相符。
- 詳細介紹：
- 目前，在世界范圍內控制和減少SO2排放的任務越來越迫切。鈣基固硫作為最主要的脫硫方式被廣泛關注。迄今為止，國內外有關鈣基固硫過程的微觀化學反應機理未見報道，而這恰恰是設計和尋找最佳脫硫工藝所必需的。本作品用量子化學計算的方法研究了鈣基固硫過程中的重要反應（CaO + SO2= CaSO3）的微觀機理, 發(fā)現(xiàn)CaO與SO2反應生成CaSO3有兩條路徑，弄清了各路徑中原子進攻方式及絡合物異構化過程，得到了反應勢能面的能級示意圖，并從能量的角度分析了反應機理。本作品以學術論文的形式，為進一步優(yōu)化脫硫工藝提供了理論支撐，同時也解釋了工業(yè)上低溫固硫效率高的原因，成果創(chuàng)新性強，具有重要的理論指導意義。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 利用量子化學計算的方法考察CaO與SO2反應的微觀機理，為工業(yè)脫硫工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)。
科學性、先進性及獨特之處
- 量子化學計算在研究化學反應的微觀過程（反應物的原子進攻方式，絡合物異構化過程中化學鍵的斷裂和生成，能量的變化等）方面具有很強的優(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生產亞硫酸鈣的微觀機理，從化學上解釋了CaSO3熱不穩(wěn)定，同時進一步解釋了工業(yè)上低溫固硫效率高的原因。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 通過量子化學計算獲得了該反應詳細的路徑和各步能壘，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)，低溫有利于產物亞硫酸鈣的生成，溫度過高將會朝逆反應方向進行即CaSO3分解。因而在脫硫實際中應盡可能采用低溫環(huán)境，同時應及時將產物移除獲通入氧氣轉化為CaSO4。
學術論文摘要
- 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的微觀機理。優(yōu)化得到了中間體、過渡態(tài)和產物的構型及相應的能量值。我們發(fā)現(xiàn)CaO與二氧化硫反應首先是無勢壘絡合形成具有鏈狀結構的中間體O1SO2CaO3，隨后鏈端的O1和O3原子分別進攻鏈中的鈣原子和硫原子，經兩條路徑生成產物亞硫酸鈣。通過比較發(fā)現(xiàn)兩條路徑對產物生成的貢獻差不多相等。
獲獎情況
- [1]該研究學術論文被2010年《中國環(huán)境科學學會學術年會論文集》收錄； [2]2010年在湖北省化學（化工）創(chuàng)新成果報告會獲三等獎； [3]2011年獲湖北省第八屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽一等獎.
鑒定結果
- 本作品利用量子化學計算的方法深入地研究鈣基固硫反應SO2與CaO生成CaSO3的微觀機理，研究成果對脫硫來說具有重要的理論指導意義及應用前景。
參考文獻
- [1] 何正泉,石從云,劉興重,等.氧化鈣固硫反應的量子化學研究,中國環(huán)境科學學會學術年會論文集(第四卷).北京:中國環(huán)境科學出版社,2010. [2]“科技綠動世界”中國環(huán)境科學學會2010年學術年會暨全球華人環(huán)境論壇專題報道： [3] 王春玉,李紅英,薛士科.煙氣脫硫技術綜合性能評價及方案選擇[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].中國科技情報研究所重慶分所,34-44. [6] 薛菲 ,石勁松.煙氣脫硫技術現(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].科技情報開發(fā)與經濟,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，同時由于煤炭資源的應用引起全世界SO2 的污染也越來越嚴重，因此嚴格控制和減少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注。田世海等運用優(yōu)化組合的多元建模方法，研究了鈣基固硫劑化學組成與脫硫效果之間的數(shù)量關系，建立了鈣基固硫劑化學成分與其脫硫率關系的優(yōu)化組合的多元模型。實際運行表明，該模型方便了鈣基固硫劑化學性能的分析及鈣基固硫劑種類的選擇；李秋榮等運用化學熱力學理論對鈣基脫硫劑的脫硫反應的吉布斯函數(shù)（△G），反應平衡常數(shù)，平衡時SO2的分壓進行計算，從而得出脫硫反應△G-T的關系式，計算不同溫度下的△G，進而分析反應發(fā)生的可能性；賈瑜等在大量的試驗研究的基礎上，探討了各種添加劑對鈣基固硫劑脫硫率的影響；中國科學院大連化學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模型和粒子模型，計算了加入一體化添加劑前后煤的燃燒反應動力學和固硫反應動力學參數(shù)，對一體化添加劑的催化作用機理進行了分析；Hisa等通過實驗發(fā)現(xiàn)鈣基脫硫劑硫化產物層中固態(tài)離子擴散現(xiàn)象; 王宏等研究O2/CO2燃燒方式下石灰石對SO2的脫除機理，通過靜態(tài)實驗和動態(tài)實驗結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構的三種CaO樣品，然后與SO2進行反應，得到了CaO轉化率隨反應時間，反應溫度以及SO2濃度的變化規(guī)律，從孔隙結構的角度分析了CaO硫化反應的控制機理，同時對CaO孔隙結構在單純燒結過程以及硫化反應過程中的變化規(guī)律進行了研究，闡明了CaO轉化率與其孔隙結構之間的關聯(lián)性。 弄清鈣基固硫過程中的微觀化學反應機理對于設計和尋找最佳脫硫工藝尤為重要，但遺憾的是，迄今為止關于這方面的研究未見報道。我們用量子化學計算的方法研究了鈣基固硫過程中的重要反應CaO+SO2=CaSO3的微觀機理, 弄清了反應物的分子進攻方式和絡合物異構化生成產物的過程，為脫硫工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)，同時解釋了工業(yè)上低溫固硫效率高的事實。
