低阶煤热解颗粒内传热-反应-传质多过程耦合挥发份传递机制研究

The study on fundamental mechanism of low-rank coal pyrolysis at particle scale is the key to reveal the essence of many experiments, the basis of modelling the pyrolysis process precisely, and the first and also the most important step in the reactor design and amplification. The experimental results are the macro-reflection of the coupling effect of transfer phenomena and reactions. However, the mechanism is still unclear and remains to be further explored. This proposal provide new insights into the fundamental mechanism of low-rank coal pyrolysis from the particle-scale viewpoint. Based on experimental and computational simulation, the coupling mechanism of heat transfer-reaction-mass transfer inside a coal particle are investigated. In the experiment of coal pyrolysis, reaction kinetic mechanism of coal pyrolysis is firstly proposed according to the experimental data, our investigation focuses on the formation of tar and light gas. The decomposition property of low-rank coal with different particle diameters are studied in detail and the related physical property parameter are also investigated. In the simulation research, a comprehensive single particle model is firstly developed to characterize detailed chemical and physical phenomena occurred within particles. The basic information about instantaneous temperature distribution, pressure distribution and concentration distribution of tar and light gas in the particle can be obtained. Then, the obtained single particle model is used to predict the effect of experimental parameters to the product distribution. Combined with the results mentioned above, it is expect to reveal the truth behind the experimental phenomenon, provide guidance to targeted regulation and control, and provide a theory basis for design and magnifying of the reactors.

颗粒尺度下低阶煤热解脱挥发份过程机理的研究是揭示众多热解实验现象本质的关键，是精准模拟热解过程的基石，是反应器设计及放大的重要组成部分。众多热解实验现象是多种传递及反应耦合结果的宏观体现，但该过程的反应传递机制目前仍不清楚，有待进一步探索。为此，本项目提出在颗粒尺度下对煤脱挥发份过程中的传热-反应-传质耦合过程进行深入研究，揭示其反应传递机制。实验方面，探索低阶煤热解生成焦油及轻质气体的反应动力学机理，考察不同粒径单颗粒煤的热解特性，并对该过程中各物性参数进行考察；理论分析方面，构建焦油及轻质气体的反应、热、质耦合过程的数学模型，对颗粒内脱挥发份过程进行多尺度模拟，获得颗粒内不同位置处的温度场、浓度场、压强分布等信息，模拟分析不同实验条件对脱挥发份过程及产物分布的影响。结合实验及模拟结果，揭示众多宏观实验结果背后的本质过程，为热解产物定向调控提供指导，为热解反应器的设计、放大提供理论依据。

低阶煤清洁高效利用对于高效、快速实现“碳中和”目标意义重大。低阶煤热解脱挥发份过程机理的研究是揭示众多实验现象本质的关键，是精准模拟热解过程的基石，是反应器设计及放大的重要组成部分。基于低阶煤非等温热解及催化热解实验，建立了一种新的动力学现象模型，该模型能够非常好地模拟出整个热解过程，不仅丰富了煤热解的动力学体系，而且为反应器的模拟与放大提供了更简单且精确的方法。催化剂可以有效提高热解反应效率，为此，以贝壳所得CaO为催化剂，采用固定床及热重分析研究了混合比例对低阶煤热解行为的影响，并从化学键角度和煤热解产物的气液相组成的变化探讨了CaO作为催化剂时低阶煤的催化热解机理。在球磨混合方式下，低阶煤与CaO基催化剂质量比为2:1时，焦油产率明显升高，气体产物中H2含量显著提升。进一步地，使用改进的化学渗透脱挥发分模型对低阶煤热解过程进行了详细的模拟研究，通过对表观动力学参数分析、热解过程模拟及过程参数定量分析深入探索了低阶煤催化热解机理。模拟及理论分析方面，结合传热模型建立了描述颗粒煤热解的单颗粒模型，并通过该模型对鼓泡流化床内煤颗粒内部的热解过程进行了预测。结果表明：在900 ℃高温流化床中3 mm内蒙兴和煤颗粒内外温差最高可达300 ℃以上，反应按缩核模型进行，完全热解需要6.2 s，而相同条件下直径为0.3 mm小颗粒煤完全热解仅需要0.35 s，按体积反应模型进行。颗粒尺寸对低阶煤热解影响显著，不同煤颗粒完全热解所需要的时间差别很大。煤颗粒完全热解所需时间的确定是反应器设计和放大至关重要的参数之一。进一步地，在该研究基础上加入传质方程，即建立了低阶煤热解的传热-传质-反应动力学模型，使用建立的数学模型对低阶煤的热解过程进行了进一步的研究，该模型可以预测不同环境温度及不同加热速率条件下颗粒内不同位置不同时间的压强变化，温度变化及挥发分产率的变化等情况，不仅可以精准模拟低阶煤热解过程，而且为反应器设计及放大提供了依据。