孔尺度视角下焦炭颗粒-超临界水界面反应的热质传递特性研究

Coal gasification in supercritical water is a clean and effective method for coal conversion. Porous char particles are formed after fast coal pyrolysis and their further gasification is the rate-determining step. Motivated by interfacial reaction and component diffusion inside pore, pore expansion and overlapping will happen. As a result, pore structure will show novel morphology evolution rules. These are not only the precondition for heat and mass transfer characteristics, but also the key to find the way to enhance the rate-determining step. We plan to extend single pore expansion rules to the whole porous morphology evolution rules by the grid method. First, a single pore diffusion-reaction model is built to illustrate the pore expansion rules in different situations. Equivalent method is used based on uniform diffusion resistance to make the model suitable for complex pore structure. Then, computed tomography scan is used for the reconstruction of the initial porous interface and the space is divided by binarization segmentation with grids. The medial axis reconstruction algorithm can express the way for pore expansion and overlapping. Finally, heat and mass transfer characteristics of particles can be obtained by pore interfacial structure and its evolution information. Heat and mass transfer characteristics of the interfacial reaction will be verified by experiments. These achievements are expected to provide theories for gasification kinetics of coal in supercritical water and enrich the study for heat and mass transfer characteristics of porous media.

煤炭超临界水气化是一种高效、洁净的煤炭转化方式，煤炭在此过程中经快速热解形成多孔焦炭颗粒，其进一步气化是整个过程的速度控制步骤。在界面反应、孔内扩散综合作用下，孔扩容及其导致的孔重叠现象发生。孔结构呈现出的独特的演变规律，既是获取颗粒热质传递特性的前提，也是寻求控制步骤强化手段的关键。本项目采用单孔扩容规律通过格点法扩展获得孔结构演变规律的思路。首先建立单孔扩散反应模型，阐明不同结构条件下单孔扩容特性，采用基于等扩散阻力原则的等效处理手段，使模型适用于复杂结构；然后采用CT断层扫描重构及二值化法分割空间，采用孔中轴线网络重构的算法获得数学上对孔扩容及重叠过程的处理方法；最后利用孔界面结构特性及演变信息获得多孔颗粒超临界水气化热质传递规律。采用超临界水气化机理实验平台对界面反应的热质传递规律予以实验验证。本项目成果既可为煤炭超临界水气化提供精确动力学模型，又有望丰富多孔介质热质传递研究内涵。

超临界水气化提供了一种清洁、高效的煤炭利用方式。在超临界水中，煤炭经快速热解形成多孔焦炭颗粒，其进一步转化是整个气化过程的速度控制步骤。在界面反应、孔内扩散等综合作用下，孔扩容及其导致的孔重叠现象发生。在超临界水特殊物性下颗粒多孔结构呈现出的独特的演变规律，既是获取颗粒热质传递特性的前提，也是寻求控制步骤强化手段的关键。本项目从分子、孔及颗粒尺度开展研究，通过实验及数值模拟的手段研究了多孔颗粒在超临界水中的热质传递及反应耦合特性规律。首先开展分子动力学模拟研究获得了超临界水气化过程中H2、CO、CH4、CO2等常见气体组分的扩散特性及规律，并进一步建立了高精度的分子扩散经验关联式。同时开展实验研究，通过氮吸附、压汞测试、CT扫描、SEM等多种表征方式获得了比表面积、孔容、孔径分布、分形维数等多孔焦颗粒结构参数在超临界水气化过程中的演变特性规律。在此基础上，建立了密实球形颗粒及颗粒内部单孔扩散反应的CFD数值模型，开展研究获得了不同气化工况下颗粒表面及孔径、孔深、孔位置等孔结构参数影响下焦颗粒单孔内的气化特性规律。此外，考虑到煤结构的复杂性，以结构更为简单的塑料为研究对象，实验获得了超临界水气化过程中颗粒反应界面的演变特性规律。在上述研究基础上，基于实验获得的多孔结构参数，进一步建立了多孔焦颗粒在超临界水中气化的CFD数值模型。该模型采用颗粒解析的方法，综合考虑了流动、传热、组分输运、化学反应等多过程的耦合，并采用经典的随机孔模型描述颗粒内部孔隙的生长和合并等演变过程。基于该模型开展研究，有效揭示了不同温度、颗粒雷诺数、粒径、孔隙率、比表面积等参数影响下颗粒整体转化特性及颗粒内部热质传递细节特性规律，进一步加深了对颗粒尺度下超临界水气化行为的认识。本项目研究成果可进一步拓展为煤炭超临界水气化提供精确的动力学模型，同时有效丰富了多孔介质热质传递的研究内涵。