气化金属对煤热解衍生碳黑的影响及作用机制

By means of investigating the influence mechanism of different kinds of gasification minerals on the process of coal-derived soot formation, the soot formation mechanism in the process of coal pyrolysis combustion can be deepened and expanded ulteriorly. In this research, an innovative method that synthetic coke with loading model compounds replaced raw coal was proposed to study the conversion mechanism from tar to soot in the process of coal pyrolysis. Under the atmosphere of N2、H2O+N2 or CO2+ N2, the physicochemical properties (such as formation amount, microscopic structure, chemical construction) of pyrolysis products of demineralized coal and synthetic coal would be comparatively analyzed to explore the influence of different minerals on the conversion process from tar to soot. Based on the aforementioned research, it would be ulteriorly studied how does the Na-PAC structure in nature restrain the convertion reaction of tar to soot and whether the tar tends to condensation or decompsition on the surface of metal nanoparticles. The functional mechanism of different minerals on the process of converting coal tar to soot would be revealed and confirmed by adopting molecular dynamics simulation and quantum chemistry calculation. It can be expected that this research will have a crucial role on establishing a coal combustion numerical model and reducing coal-burning pollution emissions.

不同类型气化金属对煤热解衍生碳黑形成影响机制的研究，可以深化和拓展煤燃烧过程中碳黑形成机理的探索。本课题提出“通过担载模型化合物的合成煤粉替代煤粉来研究煤热解过程中焦油的碳黑化机制”，在N2、H2O/ N2或CO2/ N2热解气氛下，对比分析脱灰煤与合成煤粉热解产物的理化特性（生成量、显微结构、化学结构），探究不同类型金属对煤焦油碳黑化过程的影响规律；基于结构简单的煤焦油模型化合物碳黑化过程研究，探究Na与PAC连接结构本质对煤焦油碳黑化反应的抑制作用机制，与煤焦油在纳米金属颗粒表面缩合或分解反应倾向性原理；揭示不同金属在煤焦油碳黑化过程中的作用机制，并采用分子动力学模拟与量子化学计算进行验证。研究结果对建立煤燃烧数值模拟模型与燃煤污染物减排有重要意义。

气化金属对煤衍生碳黑形成有不容忽视的影响。针对不同类型金属对煤热解衍生碳黑的产生特性与理化性质的影响展开研究，可以揭示金属影响煤衍生碳黑形成的作用机制。本项目对原煤、酸洗煤、担载不同金属的煤和由合成焦担载模型化合物所制备的模化煤粉进行沉降炉热解实验，通过对热解气溶胶元素组成、产率、颗粒粒径分布、化学组成与显微结构等物理化学特性分析，研究金属对煤热解产生碳黑过程的影响机制，并通过量子化学计算加以验证。. 研究发现煤中离子可交换态金属与物理吸附态金属有不同作用。离子可交换态Na与煤基质间的有机结合相对稳定，可以在一次热解过程中催化自由基碎片裂解，减少初级焦油产量，使碳黑产率明显降低；而物理吸附态Na更容易发生气化，但几乎不影响煤的一次热解，主要在热解气中影响煤衍生碳黑形成。研究还表明气化金属对煤衍生碳黑的产率、浓度分布、化学组成及显微结构都存在影响，且作用机制复杂。对于碱金属Na，在适当的温度与停留时间条件下，Na可以促进碳黑形成、增加碳黑产率；但大量的气化Na会催化焦油裂解、抑制芳香化合物缩合并催化焦油/碳黑发生氧化反应，抑制碳黑形成。而碱土金属Ca和过渡金属Fe则主要表现出对煤衍生碳黑极强的抑制作用。如铁会影响多环芳香化合物间缩合反应，抑制碳黑形成，且随温度、停留时间、铁含量增加抑制作用逐渐增强；同时铁会使基本碳黑粒子的碳层无序化程度增高，平均粒径降低，生成的碳黑聚集体结构更紧密。此外，本项目通过量子化学计算证明了Na+—π电子络合结构有助于PAHs聚集，但该结构也会抑制PAHs缩合反应；且金属阳离子—π络合结构与C—O—金属阳离子结构均可催化•OH对PAHs的氧化反应。. 本项目研究结果是对煤衍生碳黑研究的深化与煤热解研究的拓展，有助于煤燃烧精准数值模拟模型的建立，也可为煤热解/燃烧过程中碳黑减排、碳黑表面改性提供理论支撑，推动煤炭清洁高效资源化利用研究进程。