煤炭学报

作者：刘洋, 石泽正, 陈朝帅, 苟皓语, 陶继业, 徐世明, 余波, 赵培涛, 傅培舫, 周怀春,

关键词：热分析, 通用表面活化函数模型, 等转化率法, 本征反应动力学, 变活化能, 着火特性, 化学结构,

煤焦的本征反应动力学模型是计算流体力学(CFD)模拟锅炉内煤着火燃烧速率所需的关键子模型，通常可由热分析获得。热分析反应动力学的研究虽然已发展了数十年，但仍然存在3个问题：① 非等温和等温动力学参数的不统一；② 定值动力学参数和变动力学参数均值的不统一；③ 缺乏不含不确定参数的通用动力学模型，如常用的n级动力学模型、随机孔模型和自催化模型分别含有不确定性参数，如反应级数n、结构参数ψ、反应指数a和c。为解决上述问题，提出了通用表面活化函数模型GSAFM，其反应机理函数f(X) = 1 − X(X为转化率)，且活化能EX和指前因子AX是随转化率变化的。采用4种等转化率法(变动力学参数模型)包括等温(ISO)GSAFM、非等温(NON)GSAFM、Flynn-Wall-Ozawa(FWO)和Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)，以及一种定值动力学模型ISAFM，对将军庙(JJM)和红沙泉(HSQ)煤焦的非等温和等温燃烧的本征反应速率进行了预测。结果表明，ISO GSAFM具有最好的预测效果；FWO和KAS的预测效果很差，主要由于这2种模型涉及的温度积分近似处理给EX的求取带来了一定的误差，该误差在求取AX时呈指数级放大。ISO GSAFM获取的煤焦等温燃烧的EX均值为141 kJ/mol，与ISAFM获取的146 kJ/mol接近，从而解决了问题②；其获取的动力学参数可以很好地预测煤焦非等温燃烧的本征反应速率，表明非等温和等温试验可以共用ISO GSAFM获取的动力学参数，即解决了问题①；其f(X) = 1 – X，具有不含不确定参数的通用性，即解决了问题③。ISO GSAFM得到的煤焦的EX在着火区间达到最大值，这一现象表明，煤在锅炉内的着火过程是其燃烧过程中最困难的环节；随后，EX由于煤焦燃烧进入稳定阶段而逐渐减小，但在反应后期会转变为快速增大的趋势，这符合煤焦在反应后期存在失活现象的事实。因此，ISO GSAFM在解决问题①～③的同时还能解释试验现象，有望为以基于定值动力学模型的CFD模拟提供新的本征反应动力学子模型。同种煤阶的JJM和HSQ煤焦存在理化结构上的差异，但两者的EX随转化率变化的趋势相似且大小差异小于5%，采用各自变动力学参数的算数平均可对其本征反应速率进行准确预测，表明同种煤阶的不同煤焦的本征反应速率可以用基于GSAFM的均值动力学参数进行预测，即有望实现同一种煤阶的煤焦反应速率采用同一种变动力学参数(多样本的均值)进行预测。此外，GSAFM表明煤焦的EX只与其化学结构相关，利用变活化能的特征值可精细化地研究煤焦的化学结构对其本征反应性影响的内在机理，如前述的着火困难和失活机理等；用煤焦的化学结构预测出EX后，可通过GSAFM直接预测出煤焦的本征反应速率；上述关联方法为煤焦结构与反应性的研究提供了新的思路。

来源：2025年第4期

《煤炭学报》期刊编辑部

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