【摘 要】
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新疆准东煤燃烧过程中高含量钠释放,导致大型发电锅炉受热面沉积、结渣和腐蚀。由于传统的实验测量方法难以获得燃烧过程中不同赋存形态的碱金属和自由基连续完整变化过程,而近年来新兴的反应分子动力学（Reactive Force Fields Molecular Dynamics,Reax FF MD）方法能够从分子层面上探索煤燃烧过程中复杂体系碱金属的迁移转化机理,基于此,本文采用Reax FF MD方法
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新疆准东煤燃烧过程中高含量钠释放,导致大型发电锅炉受热面沉积、结渣和腐蚀。由于传统的实验测量方法难以获得燃烧过程中不同赋存形态的碱金属和自由基连续完整变化过程,而近年来新兴的反应分子动力学（Reactive Force Fields Molecular Dynamics,Reax FF MD）方法能够从分子层面上探索煤燃烧过程中复杂体系碱金属的迁移转化机理,基于此,本文采用Reax FF MD方法进行以下研究:首先,对新疆准东地区五彩湾煤样采用元素分析和工业分析,以及13C-NMR（13C Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy）等方法进行实验表征,对含有羧酸钠的准东煤分子结构模型进行构建和修改,直至与实验分析结果一致。其次对Reax FF力场进行选择,确定合适的模拟参数并对准东煤进行反应分子动力学模拟。然后对五彩湾煤样进行酸洗预处理,采用离子交换法对酸洗煤进行羧酸钠定向负载得到羧酸钠煤样。最后对羧酸钠煤样进行热重分析,其失重率结果与Reax FF MD结果吻合,验证了准东煤分子模型的合理性。通过Reax FF MD对煤热解时羧酸钠的迁移转化机理进行探讨。发现挥发分形态的钠随温度增加而增加。在低温下以钠原子形态为主,在高温下以无机钠形态为主。煤热解过程中钠原子的释放一种途径是焦炭中的羧酸钠可以直接释放钠原子,另一种途径是由H自由基攻击-COONa基团产生原子钠释放。煤热解过程中释放出的原子钠会与体系中的OH和O自由基结合,形成氧化钠和氢氧化钠。动力学分析表明,挥发分形态的钠释放的活化能为17.37 k J/mol,无机钠释放的活化能为40.52 k J/mol,原子钠的活化能为2.58 k J/mol。通过从煤初次热解产物中提取焦炭大分子构建焦炭燃烧体系,采用Reax FF MD研究钠对焦炭燃烧的影响。结果表明:焦炭在3000 K温度下碳转化率达到100%,但体系中氧气含量还大量存在。与前一阶段煤热解相比,燃烧阶段的主要产物从焦炭变成了无机气体。钠在焦炭燃烧过程中主要以挥发分形态的钠释放:首先以原子钠的形式出现,然后其释放产率随着温度逐渐升高迅速下降,无机钠释放产率则随着温度逐渐增加,无机物中主要以Na OH为主。根据焦炭燃烧过程中钠的释放动力学参数,挥发分形态的钠释放的活化能为5.85 k J/mol,无机钠释放的活化能为8.23 k J/mol,原子钠的释放活化能为26.35 k J/mol。
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