煤热解模型综述Microsoft Word Document

煤的热解模型
摘要：煤热解是包括煤气化、液化、燃烧和干馏在内的煤热解化学加工的基础。

热解条件如煤种、压力、温度、升温速率和气氛不仅影响着热解产物的分布，而且决定着固体产物的物理结构和化学结构，从而影响着煤转化的反应性能。

因此，研究煤的热解反应并使之模型化一直是煤化学研究的热点之一。

关于热解速率的研究大多仍采用总挥发分模型，即由挥发分总失重表达煤的热解行为。

Solomon最早提出了官能团（FG）热解模型，他提出这一模型的被禁公式建立在其对煤分子结构以及热解动力学实验所进行的长期桌游成效的工作的基础上，他们通过对大量煤种的红外光谱分析，得出了所有煤种在整个红外光谱范围内具有想死的红外吸收特性，今儿人认为有煤种的官能团组成不随煤种而变，他认为煤的热解主要是由官能团的断裂所引起的。

关键字：煤热解，官能团模型（FG），FG-DVC模型。

一：早期煤热解模型
由于煤结构的复杂性和不均一性，现在仍然不能全面的描述热解期间出现的化学反应。

科学家们在实验结果的基础上，从一些简化机理出发，先后提出了许多的脱挥发分模型。

早期的热解模型以但反应、复合反应或者多级分解反应为基础。

其中单方程模型，将热解处理为简单的一级动力学过程，模型的动力学参数与煤种有关，并且不适用于非等温过程；双竞争模型，将热解过程处理为两个平行的竞争反应，它们分别在高温和低温时起主导作用，这一模型还有一个进步，就是适用于非等温过程；官能团模型则指出煤由各种官能团组成，各种官能团的热解参数与煤阶无关，总反应性随煤阶的变化时由于各官能团的初始含量不同。

因为对传质传热过程考虑很少，该模型不能用于预测大颗粒的热解行为。

二：FG官能团热解模型
煤受热，各种弱连接键和取代基断裂分解，释放出各种煤的碎片，最终生成CO2、CO、H2O、CH4、焦油和焦等，各种连接键的强度又决定了其裂解的先后顺序。

建立FG官能团热解模型时，作假设：
（1）焦油和甲烷有Al-CH裂解生成，而其他生成物由煤种的官能团裂解生成。

即煤
种的羧基裂解释放出CO2，i裂解生成水，CO是由醚键盘-O-连接裂解得到，Ar-CH 的缩聚释放出氢气并形成半焦。

（2）A I-CH裂解在生成焦油的同时生成甲烷，反应为平行竞争反应。

（3）忽略常压下生成氢与活性半焦的甲烷化学反应。

（4）官能团裂解为无数个一级平行反应，符合阿累尼乌斯返程，指前因子取k0=1.67X1013s-1,各反应的画画能成高斯分布。

根据以上假定，FG官能团热解模型描述煤中官能团裂解生成物i和第j个反应的动力学表达式，对分等温过程以恒定的升温速率加热，将温度有0积分到T，并考虑远大于1，对每一个裂解生成物i的第j个反应时的近似值。

由假定知任一官能团裂解反应的数目达到足以使活化能E i可连续分布从而得起函数分布。

同理对，CO,CH4、焦油进行分析。

进行煤热解的失重曲线以及热解生成物生成曲线、热解活化能分布实验值与模型值等对比分析，可得
（1）所建立的FG官能团热解模型认为，热解生成物焦油和甲烷由煤的相对官能团裂解生成。

（2）官能团的平均活化能随连接键的增加而提高，一氧化碳最大，甲烷其次，二氧化碳最低，与高分子化合物裂解活化能相近，各官能团热解活化能成高斯分布。

（3）FG官能团热解模型很好的结实了热解生成物与煤中对应官能团的关系，完整地描述了煤官能团的断裂以及煤热解的全过程。

三：FG-DVC模型
本模型是由FG子模型和DVC子模型组成。

FG官能团模型认为官能团的分解生成气体产物，DVC子模型则通过断桥、交联和焦油形成来描述煤网络的解聚。

该模型基于以下观点：（1）官能团分解生成气体；
（2）大分子网络分解生成煤塑性体和焦油；
（3）煤塑性体的分子量分布取决于网络配位数；
（4）桥键断裂受煤中可供氢的限制，煤大分子解聚受桥键断裂的限制；
（5）交联反应伴随有CO2和CH4的生成，它控制着大分子的再固化反应；
（6）焦油生成速率受传质控制，轻焦油分子经蒸发而逸出，其速率正比于焦油组分的蒸汽压和气体产率。

由此，DVC模型可以确定焦油、半焦的数量和分子量分
布，FG模型则可以描述气体逸出过程以及焦油和半焦的官能团组成，其中气体生成过程可以用以及反应来描述。

DVC模型为焦油生成提供了统计基础，该模型假定键断裂为单一的乙撑型断键，其活化能在一定范围内连续分布。

断键时需要消耗煤中的可供氢以稳定自由基。

模型认为煤是芳香环簇由强桥或弱桥连城的二维网络，芳香簇的分子量服从高斯分布。

每个簇上有一定的初始交联点数用来连接一定长度的齐聚物，从而使交联点检的分子量能与实验值相一致。

选择不同的长度可以使不相连的外在分子同抽提收率相对应。

DVC模型最初用蒙特卡罗发来分析断键、耗氢和蒸发或称，后来也开始使用渗透理论，只是在个别概念上稍微修正。

在对各种模型对比分析后，可以选用适当的模型来进行实验，从而达到需测定值。

参考文献
1：姚强等，燃烧理论与污染控制，机械工业出版社，2004
2：刘旭光，李保庆，煤热解模型的研究方向，煤炭转化，1998,21（3）
3：朱学栋，朱子彬，张成芳，煤的热解研究，华东理工大学学报，2001,27（2）。