高浓度CO2和H2O条件下煤焦氧化机理及模型建立

Oxy-fuel combustion and pyrolysis/gasification are getting more attentions for clean coal technologies. O2, CO2 and H2O are co-exist in the furnace of oxy-fuel combustion and the gasifier.The concentration of CO2 and H2O is much higher than in air condition.The interaction mechanism among char-O2, char-CO2 and char-H2O reactions, and the gas diffusion mechanism in the pore of char and on the surface of particle are not clearly in the C/O2/CO2/H2O system. This project is to conduct a systematic research on fundamental understanding of characteristics of the interaction mechanism. A limitation of developed semi-global rate model of single particle based on the char structure would be established to predict the char oxidation rate in high CO2 concentration and H2O concentration.The overall goal is to establish a model coupling the hydrodynamics, heat transfer, chemical thermodynamics, kinetics and diffusion submodel for oxy-fuel furnace and gasifier design.

开发煤等固体燃料的氧燃料燃烧（富氧）和热解气化（欠氧）等新型低碳高效利用技术，其中焦氧化反应最为关键。在这些高温焦的非均相化学反应中，CO2和H2O浓度相对传统技术高很多。O2，CO2，H2O在各反应子过程中的作用与反应子过程的时间尺度、气体瞬时浓度、本征反应速率和燃料的物理或化学特性等相关。而且，氧量、气氛改变后非均相反应在不同温度区间（动力区-动力扩散区-扩散区）呈现特征需重新研究。本项目针对复杂C/O2/CO2/H2O的反应体系，不同氧浓度条件下（富氧或欠氧），高浓度CO2与H2O对煤热解过程、煤焦-O2，煤焦-CO2和煤焦-H2O反应之间的交互作用机理、煤焦孔隙及煤焦表面演化机理及其对反应过程的影响规律等科学问题，展开实验研究，揭示不同控制区复杂反应体系内的煤及煤焦反应机理。建立高浓度CO2 和H2O条件下，不同氧浓度的煤燃烧和气化模型，为煤的新型低碳热利用技术奠定基础。

氧燃料燃烧（富氧）和热解气化（欠氧）等新型低碳高效利用技术中，焦氧化反应最为关键。相比于传统空气燃烧，富氧燃烧条件下CO2和H2O浓度都很高，对焦氧化过程的影响还不清晰。基与此，本项目重点研究了高浓度CO2与H2O对煤热解过程、煤焦-O2，煤焦-CO2和煤焦-H2O反应之间的交互作用机理、煤焦孔隙及煤焦表面演化机理及其对反应过程的影响。主要结论如下：. 1、高浓度CO2与H2O条件下，热解挥发分含量提升、焦产率有所下降。高浓度CO2对热解焦结构的影响较小，但高浓度H2O使热解焦孔隙更发达。对于部分氧化后煤焦，高浓度CO2使得焦结构有序化程度增加、反应性减小。对于部分氧化焦、冷却焦以及原位焦，高浓度H2O提升煤焦氧化速率。. 2、在CO2和H2O混合气氛下的煤焦气化反应速率均低于单独CO2和H2O分压下的速率之和，而高于各自单独分压下的反应速率。煤焦-H2O的反应独立于煤焦-CO2反应，但煤焦-CO2的反应会受煤焦-H2O反应的抑制。煤种，温度和煤中矿物质对气体的优先吸附顺序影响较小。推导的煤焦气化速率模型，其计算结果与实验值吻合较好。. 3、采用18O同位素示踪法研究O2/CO2/H2O气氛下Char-H2O反应路径。O2/CO2/H2O气氛下水蒸汽参与了煤焦氧化反应，即示踪重水中的18O与C首先在煤焦颗粒内部反应生成C18O，然后扩散至煤焦表面发生边界层反应，转化成C16O18O（CO2），反应过程既消耗了H2O（气化反应），又生成了H2O（H2燃烧）。. 4、在O2、CO2和H2O混合气氛下，O2比CO2和H2O更能优先吸附煤焦活性位，Char-H2O、Char-CO2反应则受到Char-O2反应的抑制。Char-O2反应活性位与Char-H2O/Char-CO2反应活性位部分独立，部分共享。C活性位点分布与煤种有关。推导了混合气氛下煤焦氧化速率模型，模型计算结果均与实验值吻合较好。. 培养博士3 名、硕士2 名。发表学术论文11 篇（其中SCI 论文10篇），授权发明专利3项。参加学术会议8次，其中国际会议6次。达到了预期研究目标。