原位煤焦燃烧动力学及燃烧通用模型研究

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煤燃烧过程中,焦炭的燃烧时间较长,其燃尽程度决定了煤的利用程度,因此研究煤焦的燃烧速率十分重要。国内外学者提出了许多模型(总包一步反应模型、半总包的两步反应和三步反应模型)计算焦炭燃烧速率,所有模型均涉及焦炭燃烧的动力学参数,而在不同的燃烧模型中,动力学参数的选取并不一致。同时,燃烧过程中焦炭在高温下结构趋于有序化和石墨化,其本征反应性降低(失活),影响焦炭的燃烧。因此准确获得焦炭燃烧动力学参数和本征反应性的变化规律对燃烧速率的模拟计算至关重要。本文通过自主研发的两段式分级反应分析仪原位研究焦炭燃烧动力学,获得更准确的焦炭燃烧本征动力学参数。此外,本文探讨了热处理过程中不同煤焦的反应性和结构转变机理,分析热处理过程中焦炭反应性与煤种之间的内在联系,建立通用性强、适用性范围广的焦炭燃烧模型,模拟预测炉膛内焦炭燃烧过程。本文首先搭建微型流化床(MFB)焦炭燃烧测试系统,研究煤焦燃烧本征反应动力学,并与热天平(TGA)进行对比。结果表明,MFB测得的燃烧活化能与低温下TGA的测试结果一致,验证了MFB系统的可靠性。实验和模拟结果显示温度较低时,MFB和TGA内焦炭燃烧均在动力学控制区,随着温度升高,TGA内颗粒堆积影响气体扩散速率,而MFB内传热传质更快,气固接触充分,因此MFB可以在更高的温度下测量焦炭本征动力学,有效节省测试所需时间,这说明MFB是TGA进行焦炭燃烧测试的有效补充手段。其次耦合微型沉降炉和微型流化床,建立了两段式分级反应分析仪,煤粉先在微型沉降炉内热解,然后生成的热态焦(原位焦)直接进入MFB内燃烧,测量其反应性,并与文献中常用的冷却焦(先热解,冷却后再进行燃烧测试)进行对比。结果显示冷却过程会导致焦炭反应性降低,并且冷却速率越慢,反应性下降越明显。对制备的不同冷却速率焦炭进行表征,发现冷却过程中焦炭的形貌结构无明显改变,其比表面积并没有减少,反应性下降的原因与焦炭活性位点丧失有关,不同冷却速率下制得的焦炭反应性与其活性比表面积呈正比。比较测得的原位焦和冷却焦的燃烧动力学参数,当冷却速率足够快(>100 K/s)时,冷却过程对测得的焦炭燃烧活化能几乎无影响,但是慢速冷却(1 K/s)时,测得的冷却焦燃烧活化能会增加。通过两段式分级反应分析仪研究升温过程中煤焦的失活机理。实验时避免快速升温后焦炭的保温过程,从而更好地比较不同加热速率对焦炭反应性和结构的影响。结果表明升温过程中焦炭反应性降低与脂肪族支链断裂、碳基质边缘聚合和活性位点减少有关。同时焦炭在高温下的保温过程,会导致其反应性进一步降低,减小快速加热焦与慢速加热焦之间的差别。根据实验结果,建立了焦炭反应性与升温速率有关的理论模型,模拟计算升温过程中不同焦炭的反应性变化规律,并与文献报道的实验结果进行比较。结果显示升温过程中焦炭的失活速率不仅与升温速率有关,与其本身的结构也密切相关。石墨化程度越低的煤,碳骨架中缺陷位点越多,能发生失活的活性位点也就越多,对升温速率越敏感。通过煤质指数Fz代表煤焦结构特点,建立不同煤焦在升温过程中的失活速率模型。最后采用数值模拟研究焦炭的燃烧过程。一方面分析动力学参数的取值对CBK(Carbon burnout kinetics)模拟结果的影响,另一方面对原有CBK模型进行改进,考虑热处理过程中不同煤焦反应性变化规律。结果显示当燃烧活化能E变化±30 kJ/mol时,高温粉煤炉内CBK预测的燃尽时间和颗粒温度差别很大,而且在燃烧后期由于焦炭燃烧速率逐渐受动力学影响甚至控制,E的取值对焦炭燃烧过程的影响也在增大。采用改进后的CBK模型(简称M-CBK)模拟预测文献中多种煤在高温下的燃尽过程,并与原CBK模型进行对比。结果表明M-CBK模型可以更好地预测不同煤种的燃烧过程,说明在考虑了热处理过程中不同煤焦对失活速率的影响后,模拟的燃烧过程中焦炭反应性更接近实际燃烧过程,从而提高模型的精确性,因此M-CBK模型的通用性更强,适合的煤种范围更广。
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