【목적】 수소가 혼합된 석탄 분진 연소의 복잡한 미세 환경에서 질소 함유 코크스의 산화 및 NO_x 전환 메커니즘을 규명하고 석탄 자원의 청정 저탄소 활용을 촉진한다. 【방법】 M06-2X 함수 및 6-311G(d) 기저를 기반으로 한 밀도 범함수 이론(DFT)을 사용하여 피리딘 질소가 포함된 순수 코크스와 사전 수소 처리된 지그재그(zigzag) 코크스 가장자리 모델을 구축하였고, 정전기 퍼텐셜(ESP) 분석을 통해 반응 우선 공격 위치를 예측하였으며, 수소 처리된 코크스와 O₂의 반응에서 생성되는 다양한 기상 생성물에 대한 3가지 대표 산화 경로와 그 에너지 장벽을 체계적으로 계산하고 비교하였다. 【결과】 정전기 퍼텐셜 분석 결과, 사전 수소 처리된 코크스 표면은 높은 분극 특성을 나타냈다; 순수 코크스(초기 N—C 결합 절단 장벽 237.4 kJ/mol)와 비교 시, 사전 수소 처리된 코크스에서 결정 단계의 장벽이 274.63 kJ/mol로 상승하여 표면 수소화가 질소 함유 헤테로고리 개환 운동학적 저항을 크게 증가시켰음을 나타낸다; 경로 비교에서 경로 3(NO₂ 생성)의 결정 단계 장벽은 334.19 kJ/mol로 매우 높아 운동학적으로 불리하였다; 경로 1(NO 및 H_2O 생성)과 경로 2(NO 및 CO 생성)는 경쟁 가능한 두 경로로 모두 진정한 운동학적 병목인 N—C 결합 절단에 의해 제한되며, 경로 1은 열역학적으로 절대적인 우위(발열 692.76 kJ/mol)를 가지며 경로 2는 결정 단계를 넘은 후 미세한 운동학적 우위를 가진다. 【결론】 수소가 혼합된 미세 환경에서 질소 함유 코크스 산화는 N—C 결합 절단에 엄격히 제어되는 고온 과정이며, NO가 주요 질소 산화물 생성물이자 NO₂ 생성은 거의 무시할 수 있다. 이 미시적 메커니즘의 규명은 후속 거시적 석탄-수소 혼소 유체역학(CFD) 수치 시뮬레이션과 오염물의 정밀 조절을 위한 근본적인 고유 동역학 매개변수를 제공할 수 있다.

석탄-수소 혼소; 수소화 코크스; 밀도 범함수 이론; 산화 메커니즘; NO_x 전환