【摘 要】
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煤热解过程中,交联反应的发生会影响煤内芳簇的连接状况,进而影响产物分布。但是,交联反应多是伴随着侧链结构的裂解发生的,自由基作用关系复杂。在煤化学渗透热解(CPD)模型中没有建立完整的交联反应动力学特性描述方法,导致模型在慢速热解条件下对产物产率的预测值与实验值偏差较大。利用不稳定桥链相比于侧链反应活性大、裂解快的特点,制备活性桥链裂解较为完全、侧链含量较多的半焦,对半焦进行二次热解,可以有针对性
【基金项目】
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国家自然科学基金(2170060813);
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煤热解过程中,交联反应的发生会影响煤内芳簇的连接状况,进而影响产物分布。但是,交联反应多是伴随着侧链结构的裂解发生的,自由基作用关系复杂。在煤化学渗透热解(CPD)模型中没有建立完整的交联反应动力学特性描述方法,导致模型在慢速热解条件下对产物产率的预测值与实验值偏差较大。利用不稳定桥链相比于侧链反应活性大、裂解快的特点,制备活性桥链裂解较为完全、侧链含量较多的半焦,对半焦进行二次热解,可以有针对性的研究侧链裂解发生交联反应的机理。本文将煤在不同温度下快速热解,制备了桥链和侧链含量不同的半焦,并对半焦进行了二次热解,分析侧链裂解的动力学特性,最后在CPD模型中考虑交联反应路径影响,修正了模型的输入参数,提高了其在慢速热解条件下产物产率预测的准确性。选用脂肪链含量较多的淖毛湖煤(NMH),利用滴管炉反应器进行不同温度的快速热解实验,分析了FT-IR、Raman、XRD、HRTEM及N2吸/脱附对半焦结构特性的表征结果的关联关系。热解温度小于800℃时,煤热解过程以解聚反应为主,随温度升高,烷基醚类桥链断裂增加,大芳簇解聚生成小的芳簇碎片。800℃时,小芳簇碎片(1-5个芳环)含量最大,证明桥链断裂最完全,侧链相对含量最大。热解温度大于800℃之后,侧链开始裂解发生交联与缩聚反应,芳核微晶尺寸增大,交联桥链结构及6个芳环以上较大的芳簇含量增加。随热解温度的升高,煤中甲基和亚甲基等脂肪结构裂解增多,但同时芳簇碎片从煤中析出转变为焦油的量也增多,使得脂肪结构含量相对增加,从而FT-IR谱图中脂肪结构吸收峰强度随温度先增大后减小,900℃时达到最大。半焦比表面积在桥链断裂较为完整的800℃时开始增长,在脂肪结构含量达到最大的900℃达到最大,在更高温度下逐渐减小,该现象证明CPD-PS模型中,假设煤热解过程半焦比表面积随侧链断裂生成的开放孔位数量的增加而增加,同时随脂肪结构裂解导致的附属于开孔的吸附孔位数量的减少而减少是正确的,CPD-PS模型预测的淖毛湖煤热解过程比表面积变化与实验吻合。对半焦进行热重分析,基于等转化率法计算了其二次热解过程的动力学参数,结果表明800℃快速热解半焦二次热解的表观活化能最小,结合半焦结构表征结果,分析原因是800℃快速热解半焦二次热解主要是侧链上羧基、甲基等的裂解反应,所需活化能较小。更低温度下得到的快速热解半焦中有较多未断裂的桥链,挥发物生成经桥链和侧链断裂两步反应,热解活化能高于800℃快速热解半焦。更高温度下得到的快速热解半焦中侧链官能团裂解已较为完全,二次热解活化能较高。在实验所获规律的基础上,考虑交联反应的影响,对CPD模型反应路径假设进行了修正,改进了CPD模型中的动力学参数。经过与实验对比验证,修正后的模型保持了CPD模型对快速热解产物产率预测的准确性,提高了模型对慢速热解过程产物产率预测的准确性。
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