煤的熱解是煤所有熱化學轉化過程的共性過程和基礎, 關於熱解過程的研究也一直是煤科學研究領域的熱點. 針對煤熱解過程的研究, 除實驗研究外, 模型研究也是一種重要的研究手段. 通過比較相同條件下實驗結果與類比結果的異同, 可對建立模型所使用假設的正確性進行判斷, 從而得到一些無法通過實驗觀察到的反應過程資訊. 模型研究在催化以及材料領域的計算方面得到了廣泛而成功的應用, 但對於煤而言, 從微觀角度看, 其單元結構包含的巨量原子導致巨大的計算量, 無法使用量子化學計算方法. 因此, 現有關於煤熱解反應的模型(例如FG-DVC模型, CPD模型)一般仍屬宏觀模型, 在假設的反應網路中引入若干經驗參數, 通過實驗得到參數後即可應用模型進行預測.
結合微觀研究和宏觀研究的優點, 中國科學院工程熱物理研究所能源動力研究中心科研人員從介觀角度對煤的熱解過程進行了研究. 通過對煤熱解過程共價鍵 '斷裂-生成' 機制和共價鍵反演產物滲透理論的假設, 聯合使用Boltzmann-Monte Carlo方法和滲透方程, 建立了煤熱解過程的Boltzamann-Monte Carlo-Percolation模型. 該模型可在不包含經驗參數的條件下對煤熱解過程的鍵合結構變化以及產物生成趨勢進行定量類比, 也可在引入一個經驗參數的情況下對不同煤的揮發分產率, 煤氣產率, 輕油以及焦油產率進行定量/半定量預測.
相關研究成果發表在Fuel和Fuel Processing Technology上. 該研究得到了國家自然科學基金, 國家重點研發計劃的資助.
圖1.煤熱解過程的 '斷裂-生成' 機制
圖2.B-M-P模型對煤共價鍵變化的預測
圖3.B-M-P模型對不同煤揮發分產率的預測
