【Ziel】 Untersuchung der Oxidations- und NO_x-Umwandlungsmechanismen von stickstoffhaltigem Koks in einer komplexen mikrochemischen Umgebung der Kohlenstoffpulver-Wasserstoff-Kombinationsverbrennung, zur Förderung der sauberen und kohlenstoffarmen Nutzung von Kohleressourcen. 【Methode】 Anwendung der Dichtefunktionaltheorie (DFT) auf Basis des M06-2X-Funktions und der 6-311G(d)-Basis zur Erstellung von Modellen des reinen pyridinnstoffhaltigen Koks’ sowie eines vorhydrierten gezackten (Zigzag)-Koks-Kantemodells; Vorhersage bevorzugter Angriffspunkte durch elektrostatische Potenzialanalyse (ESP); systematische Berechnung und vergleichende Analyse von drei repräsentativen Oxidationswegen des hydrierten Koks mit O₂ und deren Energiebarrrieren zur Bildung verschiedener Gasphasenprodukte. 【Ergebnisse】 ESP-Analyse zeigt eine stark polarisierte Oberfläche des vorhydrierten Koks; im Vergleich zum reinen Koks (ausgangsbarriere für N—C-Bindungsbruch 237,4 kJ/mol) steigt die Barriere für den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt im vorhydrierten Koks auf 274,63 kJ/mol, was eine deutliche Erhöhung der kinetischen Barriere für das Öffnen stickstoffhaltiger Heterozyklen durch Oberflächenhydrierung zeigt; der Vergleich der Wege zeigt, dass Weg 3 (Bildung von NO₂) mit einer sehr hohen Aktivierungsbarriere von 334,19 kJ/mol kinetisch ungünstig ist; die Wege 1 (Bildung von NO und H_2O) und 2 (Bildung von NO und CO) sind zwei mögliche konkurrierende Wege, beide limitiert durch den N—C-Bindungsbruch als echtes kinetisches Nadelöhr, wobei Weg 1 thermodynamisch absolut bevorzugt ist (exotherm 692,76 kJ/mol) und Weg 2 nach der Überwindung der Barriere einen kleinen kinetischen Vorteil bietet. 【Fazit】 Die Oxidation von stickstoffhaltigem Koks in einer hydrierten Mikro-Umgebung ist ein hochtemperaturprozess, der streng vom N—C-Bindungsbruch kontrolliert wird; NO ist das Hauptprodukt der Stickstoffoxide, während die Bildung von NO₂ vernachlässigbar ist. Die Aufklärung dieses mikroskopischen Mechanismus liefert intrinsische kinetische Parameter als Grundlage für numerische CFD-Simulationen der Kohlenstoff-Wasserstoff-Mischverbrennung und zur präzisen Schadstoffsteuerung.

Kohlenstoff-Wasserstoff-Mischverbrennung; hydrierter Koks; Dichtefunktionaltheorie; Oxidationsmechanismus; NO_x-Umwandlung