煤焦O2/CO2燃烧反应性及孔隙演化行为的实验与分子模拟研究

The emergence of coal O2/CO2 combustion technology as a carbon capture and storage (CCS) option has arrested broad attentions in recent years. Knowledge on the char reactivity and pore structure evaluation under O2/CO2 combustion is not sufficient, which could lead to inaccurate char reaction rates, and thus limiting the development and application of O2/CO2 combustion technology. The atomistic simulation approach, which can investigate the char combustion behavior, has the advantages of controlling reaction condidtion and observing the reaction microphenomenon. Here, atomistic simulation will evaluate the char O2/CO2 combustion behavior to achieve advantageous complementarities with experimental approach. The char reactivity and pore structure evaluation under O2/CO2 combustion will be investigated, through quantifying influecne of CO2 on char reactivity, clarifying the competitve behavior of O2 and CO2 (for char active sites), and exploring the char pore strucutre evaluation behavior and mechanism. This work will provide scientific guidance for predicting the char O2/CO2 combustion reactivity, and is of theoretical and practical significance for O2/CO2 combustion technology. This work is also beneficial for the atomistic simulation development in the char combustion field.

O2/CO2燃烧技术是近年来发展迅速的碳捕集燃煤发电技术。目前对煤焦O2/CO2燃烧反应性和孔隙演化行为的认识均存在不足，导致难以准确预测煤焦燃烧速率，制约了O2/CO2燃烧技术的发展与应用。分子模拟是一种可研究煤焦反应行为的手段，具有易于精准控制反应条件和观测反应中的微观现象等优点，能克服实验研究的一些局限性。本项目将分子模拟应用于研究煤焦O2/CO2燃烧行为，与实验研究形成优势互补。通过研究煤焦O2/CO2燃烧反应性及孔隙结构演化行为，查清CO2对煤焦反应性的定量影响规律；阐明O2和CO2对煤焦活性位的竞争机制；揭示煤焦O2/CO2燃烧孔隙结构演化行为及机理。本项目将为准确预测煤焦O2/CO2燃烧速率提供可靠的科学依据，对O2/CO2燃烧技术的发展具有重要理论意义和工程指导价值，并推进分子模拟研究方法在煤焦燃烧领域的发展。

O2/CO2燃烧是很有前景的碳中和燃煤发电技术。目前对煤焦O2/CO2燃烧反应性和孔隙演化行为的认识不足，制约了该技术发展。分子模拟具有可精准控制反应条件和观测微观现象等优点，能克服实验研究的一些局限性。本项目将分子模拟应用于煤焦O2/CO2燃烧行为研究，与实验形成优势互补。.首先，通过改变已有的模拟程序，实现了对煤焦分子在O2/CO2双活性组分气体中反应的模拟。通过与已有实验结果对比验证了该方法在模拟煤焦O2/CO2燃烧反应性与孔隙演化过程的准确性。采用该分子模拟方法定量研究了CO2取代N2对O2（内/外）扩散的影响，及因此造成O2与煤焦反应速率的变化；煤焦O2/CO2燃烧中，与高浓度CO2的气化反应对煤焦反应速率的贡献；在不同条件下，CO2取代N2对煤焦总反应性的影响。.其次，通过实验和分子模拟研究了煤焦O2/CO2燃烧过程中两种气体对煤焦的竞争行为。结果发现，O2由于具有更强的扩散能力和更强的反应性，总能优先占据煤焦表面的活性位并与活性位上的碳原子发生反应，而抑制了CO2与活性位的接触和反应。因此，煤焦O2/CO2燃烧中O2的反应速率与其单独和煤焦反应的速率接近而CO2的反应速率低于其单独和煤焦的反应速率。通过改变反应气氛条件的实验与模拟结果都符合 “O2主导”的竞争机制。.最后，研究了煤/煤焦O2/CO2燃烧的孔隙演化行为。结果发现，N2焦表面有丰富的凸起薄壁，而CO2焦有更多的孔洞，这主要是由于煤粉在CO2气氛中脱挥发分时，煤焦表面与CO2发生气化反应造成的。CO2焦的孔隙结构更加发达，比表面积也更大，但是CO2焦的反应活性却率却略低于N2焦。通过分子模拟研究发现煤焦与O2反应过程中煤焦的比表面积比与CO2反应过程中的更大，而在O2/CO2中反应时，煤焦的比表面积发展过程基本是两种单独气体反应情况的叠加。.本项目研究对O2/CO2燃烧技术的发展具有重要理论意义和工程指导价值，并推进分子模拟在煤焦燃烧领域的发展。

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