基于化学过程和物理过程变化机理的煤热解模型研究

准确的煤热解模型对于煤燃烧科学以及煤利用技术是至关重要的。目前已有很多有特色的煤热解模型，尤其是基于大分子网络理论提出的热解模型能解释基本的化学机理。这些模型对于化学结构及过程考虑详细，但是对于物理结构和过程考虑不足，比如多数热解模型没有包含一次反应生成产物在颗粒内部孔隙向外扩散并伴随二次反应的机理。前期我们研究了化学结构变化、传质过程和二次反应等相互耦合效应，初步显示扩散与二次反应影响挥发份的最终生成。我们认为正是由于目前的热解模型没有包含物理变化机理才导致应用上的局限性，比如不能反映煤热解受温度、加热速率等因素的影响。本项目研究一次反应、二次反应、颗粒体积和孔隙结构变化、以及挥发份在分形孔隙中扩散等的综合效应，建立一个既包含热解过程中的化学变化机理，也包含物理变化机理的煤热解模型，从基础研究方面深入认识煤热解机理，也为应用方面提供较为可靠的煤热解公式。

热解是煤的燃烧或者气化等利用途径的初始阶段，对后续过程有重要的影响。煤热解包含复杂的物理过程和化学过程，这些过程相互耦合、相互影响。煤热解涉及到的过程有化学反应、气体在分形孔隙中的扩散以及孔隙结构的变化，而现有的模型大都只考虑化学反应过程，对其它两个基本不考虑。本项目首先建立三个模型分别研究这三个过程。基于煤的大分子网络结构，建立Fragmentation and Diffusion (FD)煤热解模型描述热解过程中发生的煤分子裂解、一次气体的生成及二次反应。基于气体分子运动论，在分形孔隙模型的基础上建立模型描述气体在分形多孔介质中的扩散，通过对模型计算结果的拟合，获得描述气体在分形多孔介质中的扩散方程。扩散方程描述了气体在分形孔隙中的非稳态扩散，考虑了气体种类以及孔隙结构对扩散的影响，进行多孔介质扩散实验对扩散方程进行了验证。利用分形孔隙模型生成煤粉颗粒的孔隙结构，采用数学方法描述热解时孔隙结构的变化。对大量的工况进行模拟，通过对计算结果的拟合，获得描述孔隙结构变化的微分方程组。微分方程组能够描述热解时煤粉颗粒的膨胀率、孔隙率、比表面积和分形维数的变化。最后，综合上述三个模型的结果，采用FD煤热解模型描述化学反应、采用分形多孔介质扩散方程描述煤粉颗粒孔隙中的扩散、采用微分方程组描述孔隙结构的变化，建立了一个较为全面和完善的煤热解模型。该煤热解模型同时考虑了热解时的物理过程和化学过程，因而不仅能够预测挥发分的生成速率和产量，还能够预测热解时孔隙结构的变化以及热解结束时得到的煤焦的孔隙结构。采用沉降炉实验对四种煤进行热解实验，测量了热解时挥发分和孔隙结构随时间的变化。模型预测结果和实验结果符合得较好，证实了模型的可靠性和较高的准确性。相对于现有的煤热解模型来说，本项目建立的煤热解模型从物理化学基础上对热解机理进行了更进一步地研究，也为应用方面提供较为可靠的煤热解公式。