粉煤热解半焦热输运过程影响因素与动力学分析研究

为解决粉煤热解半焦在高温输运过程中的氧化反应机制问题，研究人员通过非等温和等温TG-FTIR（热重-红外联用）实验，模拟工业级半焦的热输运条件，揭示了氧化反应温度区间（约300oC）、升温速率对燃烧特性参数（Ti、Tm等）的影响规律，并对比分析了非等温与等温条件下的动力学差异（活化能范围71.45~93.66 kJ·mol-1）。该研究为半焦热输运工艺的工程优化提供了理论依据，助力粉煤热解技术的工业化应用。

　　

在全球碳减排背景下，粉煤热解技术因其清洁高效特性成为煤炭资源利用的重要方向。然而，作为主产物的半焦粉（占原煤重量60%以上）在高温输运过程中易发生氧化，导致能源损耗和安全风险。现有研究多聚焦实验室自制半焦，其性质与工业级产物差异显著，且传统非等温热重分析（TGA）无法真实模拟实际输运的瞬时高温环境。针对这一技术瓶颈，来自陕西煤业化工集团合作团队的研究人员以万吨级粉煤热解工业装置产出的半焦为样本，首次通过非等温与等温TG-FTIR联用实验，系统揭示了工业半焦的热输运反应机制。

研究采用两项关键技术：一是非等温TG-FTIR（热重-红外光谱联用技术）测定不同升温速率（5~20^oC/min）下半焦的氧化特性曲线；二是等温TG-FTIR模拟实际输运条件，在300~500^oC温度区间及不同氧浓度下监测反应过程。样本直接取自陕西神木矿区万吨级工业试验装置，同步以原煤作为对照。

TG-DTG分析
通过热重曲线发现，半焦氧化起始温度约300^oC，升温速率每提高5^oC/min，着火温度（T_i）和最大失重率（R_m1）分别上升15.2^oC和0.8%/min。原煤在100^oC额外出现水分蒸发峰，证实半焦因热解脱挥发分后反应更集中。

动力学对比
采用FWO（Flynn-Wall-Ozawa）和KAS（Kissinger-Akahira-Sunose）两种模型计算非等温过程活化能，平均值分别为86.44 kJ·mol^-1和73.88 kJ·mol^-1，随转化率升高而降低；等温条件下，模型自由法测得活化能71.45 kJ·mol^-1，一级反应模型则达93.66 kJ·mol^-1，呈现相反的增长趋势。这种差异反映实际输运中高温促发更复杂的链式反应。

气体产物特征
FTIR数据显示CO₂、H₂O为主要产物，CH₄生成量极少（<0.5%），印证半焦低挥发分特性。氧浓度提升20%可使CO₂产率增加2.3倍，但温度超过450^oC后扩散控制效应减弱。

该研究首次建立了工业级半焦热输运的动力学数据库，揭示实际工艺中温度与氧浓度的协同作用机制。结论表明，优化输运温度在350~400^oC区间、控制氧含量低于15%，可兼顾能源效率与安全。研究团队进一步指出，需结合流场特性与经济性评估推动该技术工业化，为"双碳"目标下粉煤热解产业链的完善提供了关键技术支撑。论文发表于《Journal of the Energy Institute》，通讯作者为Ningbo Gao和Yu Zhang。