基于化学键合机制的煤制半焦组成和化学结构变化及半焦燃烧特性研究

Replacing coal by coal char as fuel of industrial boiler is a reasonable method to control pollution emissions, but the method may be impeded by ignition and burnout problems. The prediction model can help to solve ignition and burnout problems of coal char. The characteristics of industrial boiler is the variation of feed and operating conditions, and thus a universal model based on chemical principle associate ignition performance and burnout performance with structure of char is needed. This project will aim to build principle prediction model, which by extending bonding model using mathematical physical method and experimental correction, and to help solve the ignition and burnout problems caused by coal char. The project includes explore the universal rule on volatile characteristic of chars in high temperature, explore the universal trends on chemical structure of chars during combustion, and the universal correlation between chemical structures and reactivities of coal char.

半焦替代燃煤作为燃料是减小工业锅炉污染排放的合理手段，但广泛应用面临着火问题和燃尽问题，预测模型可为解决以上问题提供帮助。工业锅炉存在原料和操作条件多变的特点，因此必须探索化学原理层面的规律，并以此为基础建立模型，才可能普适性地预测半焦结构并关联其与着火性能和燃尽特性。本项目拟探索热解和燃烧过程中化学键合结构的演化规律，并在化学键合结构模型基础上，通过理论分析和实验修正结合的方法拓展模型的预测能力，建立原理性半焦着火性能和燃尽特性的普遍化预测方法，为改善半焦作替代燃料引起的着火问题和燃尽问题提供理论指导，主要内容包括：探索不同半焦挥发物析出特性的普遍化规律、探索不同半焦化学结构演化的普遍化规律以及找到半焦化学结构特征参数与燃烧特性之间的关系。

使用干馏后半焦作为工业锅炉替代燃料对降低VOC排放有重要意义，但原料煤种千变万化、干馏条件各有不同，因此必须使用普适性预测方法。本项目从统计力学和拓扑学角度出发，构建普适性统计热解模型；并通过实验确立模型中的参数，扩展了模型的适用范围；最后通过多种手段协同分析获得固体燃料化学信息集总及其燃烧行为之间的关系，从而实现了模型从原料到燃烧行为的预测，为工业锅炉使用替代燃料以控制VOC排放提供设计和操作计算依据。.本项目在三年执行过程中获得如下重要成果：.1. 建立了适用于复杂烃类热解过程的BMCP统计机理模型，该模型在给定原料键合结构和反应条件后，可定量预测产物分布，误差在10 %范围内；.2. 结合NMR等数据，获得了煤热解过程共价键演化规律，将其与BMCP模型结合，使模型可对不同产物的共价键分布和H/C等信息做出预测，误差不超过15 %；.3. 建立了共价键/自由基和固体燃料燃烧反应行为的三集总关联，区分了燃烧不同阶段起作用的共价键种类，为由原料信息预测燃烧行为的研究提供支持，也为后续随机反应网络构建建立了基础。.受项目支持所建立预测复杂烃类物质热解的BMCP统计机理模型是针对复杂体系进行多尺度动力学研究的有益尝试，其科学意义在于讨论了通过舍弃非控制步骤化学信息是否可关联微观和宏观尺度；受项目支持所建立的固体燃料共价键/自由基-燃烧行为关系的科学意义在于建立一种通过系列宏观实验反推其介观甚至微观信息的多尺度实验方法。项目发表SCI论文2篇(还有2篇准备投稿)，均为唯一标注；会议论文3篇；培养硕士生1名，博士生1名。