焦炭燃烧动力学

       焦炭燃烧/气化占锅炉内煤炭燃烧总时间的70%~90%，同时焦炭燃烧发热是煤发热量的主要来源，因此研究焦炭燃烧与气化过程对锅炉设计与运行有重要意义。本研究方向重点关注两方面的研究内容。一方面，在前人研究中，一般都忽略制焦时煤焦的冷却过程，而冷却过程对热解焦的反应性有较大影响。有无冷却过程时，煤焦氧化动力学参数可能会不一样。另一方面，不管是富氧燃烧过程还是煤气化过程，O₂，CO₂和H₂O都同时存在，而目前的文献报道主要关注的单一成分对煤焦燃烧或气化的影响。需要建立煤焦在多组分气体下的氧化/气化模型，精确预测不同结构煤焦的反应速率。

燃烧动力学方向—研究路线图

一、原位煤焦燃烧动力学

       由于影响煤焦燃烧动力学的因素很多，但以下因素需要深入探讨和解决:（1）焦炭燃烧本征动力学参数，文献中测得的活化能变化范围很大（125-180kJ/mol），有必要研究焦炭燃烧本征动力学参数的测量方法。（2）冷却过程的影响，实际燃烧过程中热解和燃烧是一个连续或重叠的过程，冷却过程有可能影响焦炭的结构以及相应的燃烧反应动力学参数，因此有必要研究热解后高温热态焦（原位焦）的燃烧反应动力学。

微型双床固体燃料解耦燃烧反应动力学分析仪

二、O₂/CO₂/H₂O混合气氛下焦氧化/气化模型

       固体燃料的氧燃料燃烧（富氧）和热解气化（欠氧）等新型低碳高效利用技术中，焦氧化反应最为关键。在这些高温焦的非均相化学反应中，CO₂和H₂O浓度相对传统技术高很多。O₂，CO₂，H₂O在各反应子过程中的作用与反应子过程的时间尺度、气体瞬时浓度、本征反应速率和燃料的物理或化学特性等相关。非均相反应在不同温度区间（动力区-动力扩散区-扩散区）的呈现特征需重新研究。该方向重点研究：高浓度CO₂与H₂O对煤热解过程、煤焦-O₂，煤焦-CO₂和煤焦-H₂O反应之间的交互作用机理、煤焦孔隙及煤焦表面演化机理及其对反应过程的影响规律等科学问题。

CO₂/H₂O气氛下焦气化机理及模型

O₂/CO₂/H₂O气氛下焦气化机理及模型

三、固体燃料高压反应动力学研究

加压气化、加压富氧燃烧、加压化学链燃烧等新型固体燃料利用技术均在高压环境下进行应用，然而压力的增高会使气固反应的机理发生改变，导致反应动力学参数发生变化。通过对不同温度、压力下的燃烧与气化过程进行研究后发现，环境压力与参与反应气体的分压均会对反应动力学参数造成影响，这种影响主要体现在表面反应机理上的变化。可以借助研究手段进行进一步的量化研究。

四、球团带式焙烧机仿真研究

本研究旨在通过多尺度实验与模拟，系统揭示钒钛矿球团在带式焙烧机非均匀、动态工业环境下的氧化与固结动力学规律，建立可嵌入宏观传输方程的专用动力学模型。这将深化对含钛复杂体系在变温变气氛条件下反应机理的科学认识，发展适用于战略特色资源高效处理的过程工程理论，形成将微观机理和设备仿真及数据驱动相融合的复杂工业系统研究方法论。

五、深层煤原位点火及燃烧研究

煤炭地下气化（Underground Coal Gasification，UCG）将处于地下的煤炭进行有控制的燃烧，通过对煤的热化学作用产生可燃气体，可以有效利用深部难开采煤层，缓解能源紧张问题。UCG点火阶段燃料以及氧化剂注入参数是影响煤层点燃的关键，直接影响后续气化过程的进行。研究燃料点火机制及火焰控制过程，建立耦合外部热源的煤层干燥/热解/气化/燃烧反应模型，实现UCG点火精准控制。

六、超临界CO₂注热驱替煤层气

我国煤层渗透率普遍较低，煤层气开采往往需借助增产手段。超临界CO2注热驱替煤层气是一种兼具增产与封存双重效益的技术。研究表明，煤岩对CO2的吸附量显著高于对CH4的吸附量，将CO2注入煤层可有效置换出煤岩中的煤层气。超临界CO2具有密度接近液体、黏度接近气体的流动特性，更易渗入煤岩微孔隙与裂隙体系并改善煤岩渗透性。在此基础上，注热能诱导煤岩孔隙结构扩展，进一步提高渗透率以促进煤层气的采收。

七、多源固废协同热裂解制氢机理

生物质与塑料共热解可以实现能源属性互补与资源高效转化利用，但各组分之间交互反应不清晰阻碍了氢气等高值产物的制备。通过等温快速热解结合原位检测发现生物质杉木与塑料PE/PS共热解可以使H₂产量提升，同时采用分子动力学模拟方法(ReaxFF MD)解析自由基转化路径，得到了杉木与塑料PE/PS热解交互作用机理。