利用真空紫外光电离-分子束质谱研究煤粉的燃烧

The information of reactive intermediates during pulverized coal combustion is the basis of further research on the mechanism of pulverized coal combustion, and this is a key point to reduce and control the emission of pollutants, which concerns the nation’s demands for the fields of energy, environment, and etc..The main research content of this application will focus on the real-time and on-line detection of reactive intermediates and stable products during pulverized coal combustion. The main technical route to study the mechanism of pulverized coal combustion is the combination of a flat-flame assisted entrained flow reactor with vacuum ultraviolet (VUV) photoionization mass spectrometry (PIMS) by molecular beam sampling technique. With this facility, the reactive species can be detected qualitatively; isomers can be easily distinguished, and the distribution of spatial concentrations of all reactants, intermediates, and products can be measured quantitatively..The main innovation of this application is the real-time and on-line detection of reactive intermediates and stable products. Moreover, the information of spatial concentrations of all species can be obtained. This study will help to develop the more reliable and practical mechanism of pulverized coal combustion, and it will offer technical support for reducing pollutants and optimizing reactors. Besides, this study will provide theoretical support for the development of efficient clean-combustion techniques of pulverized coals in China. Furthermore, this work also aims to contribute to growing influences of the area of Chinese basic coal combustion research on international academic community.

获取煤粉燃烧过程中的活性中间体信息是深入研究煤粉燃烧机理的基础，是减少和控制燃煤污染物排放的关键问题，事关我国能源、环境等领域的需求。. 本项申请的主要研究内容将围绕煤粉燃烧过程中活性中间体及稳定产物的实时在线探测展开，主要技术路线是通过分子束取样技术将平面火焰携带流反应器与真空紫外光电离质谱相结合，用于煤粉的燃烧机理研究。在定性方面，探测燃烧过程中的活性中间体，鉴别同分异构体；在定量方面，探测各种反应物、中间体及产物的空间浓度信息。. 本项申请的创新点在于能够实时在线的全面探测活性物种及稳定产物，并获得各物种的空间浓度信息。本项研究工作将有助于我们进一步发展更加可靠和实用的煤粉燃烧机理，为工程实际应用中降低污染物排放及优化反应器提供技术支持，为我国煤的高效清洁燃烧技术的发展提供理论支持，为我国煤燃烧基础研究领域在国际学术界进一步增加影响力贡献力量。

在未来几十年中，我国能源结构以煤炭为主的局面和缺油少气的情况将不会改变，燃煤所产生的污染物是我国大气污染的主要来源，开展煤的高效清洁燃烧技术极其重要。前人的研究大部分集中在得到煤粉燃烧的宏观特性，对于其微观反应机理研究较少。对于煤粉中含氮物质的燃烧反应动力学模型，前人的研究还缺乏在低温区的实验验证和相应反应机理。. 本项目利用真空紫外光电离质谱法结合分子束取样技术，对煤粉的热解和燃烧过程进行了系统研究，同时还进一步研究了生物质、煤粉及生物质掺混物的热解和燃烧特性，实时在线的全面探测反应过程的中间产物，获得各产物的时间演化特性，进一步揭示了煤粉燃烧机理。项目还开展了硝基甲烷的低温氧化和热解实验研究，并发展了硝基甲烷的燃烧反应动力学机理。. 本项目研究发现，对于热解过程，当热解温度增加时，高分子量产物的相对离子强度在降低，芳香族类产物强度明显增加。混合物的共热解过程发现，煤粉能够促进玉米中纤维素的反应。时间谱图显示，混合物中的煤粉能够影响玉米中纤维素、半纤维素和木质素的热解反应速度，混合物中玉米可以促进煤粉热解产物中芳烃等物质的反应速率。对于燃烧过程，玉米渣中纤维素和木质素氧化速度快于半纤维素。煤对玉米渣中木质素的影响大于纤维素和半纤维素。. 研究发现，在硝基甲烷热解过程中起主导作用的是漫游介导异构化反应，而硝基甲烷与羟基和甲基自由基的反应则在硝基甲烷贫燃和富燃氧化过程中分别占最大贡献。硝基甲烷热解过程中最重要的是漫游介导异构化反应，而在C-N键断键及与甲基的反应则是硝基甲烷贫燃和富燃氧化过程中最主要反应。. 本项目工作得到了审稿人和国内外专家的高度评价，项目期间共发表SCI论文2篇，其中一区论文1篇（发表在Bioresource Technology期刊上），二区论文1篇（已经被Combustion and Flame期刊接收，该期刊为燃烧学领域顶级SCI期刊），发表会议论文1篇；申请发明专利3项，并在第四届全国青年燃烧学术会议上做口头报告1次。