[00649186]超细煤粉精细结构热化学反应网络耦合机制与调控方法

该项目属于工程热物理与能源利用中的燃烧学领域。中国的能源构成仍然以煤炭为主，在一次能源的消费中煤炭消耗比重高达59％。“富煤贫油少气”的资源特点决定了煤炭依然是中国实现“能源自给”这一能源安全战略的首选。煤粉燃烧作为中国电力工业的主要应用方式，其所造成的污染已成为严重制约国民经济和社会持续发展的一个重要因素。超细煤粉的提出为人们重新认识颗粒粒度对煤粉燃烧机理及污染物生成机制的影响提供了崭新的视角。但是由于研究设备及分析手段所限，前人的研究往往集中在宏观结果与外部因素的调控，而对于其内在的微观物理结构与表面化学特性对燃烧过程影响的研究尚属空白。 该项目围绕着煤粉精细结构表征以及特征结构诱导煤粉热化学转化分子调控机理两大前沿问题，首次采用同步辐射光源等先进的实验平台，解决了机械力化学效应诱导煤粉精细特征提取的难题；进而通过先进计算化学方法，阐明了特征结构耦合热化学反应网络与定向调控机制；在此基础上，构建了超细煤粉多场协同调控方法，为新型煤粉清洁高效燃烧技术的研发奠定了坚实的理论基础。重要科学发现如下： (1)揭示了超细煤粉机械力化学效应诱导精细结构特征：首次发现煤中存在着由有机官能团形成的表面过渡层，可以指导构建更为精确的煤结构模型，从而大幅提高计算准确度；结合颗粒断裂微观机理，提出了更适用于微颗粒粉碎的晶格断裂假说，完善了粉碎理论体系，相较于三大经典理论(表面积假说、体积假说及裂缝假说)，粉碎能耗预测精度可以提高2％～12％； (2)阐明了超细煤粉热化学转化反应网络与耦合调控机制：在精细化表征基础上，构建了多尺度煤大分子结构模型，获得了超细特征结构诱导微区定位活化与局部钝化的煤氮电子环境变异机制，揭示了超细特征结构耦合调控燃烧反应网络动力学机制，填补了国内外关于特征结构作用下煤氮转化分子机理的空白； (3)建立了超细煤粉清洁高效转化过程机制与多场协同调控方法：结合官能团耦合调控热解产物过程机制，提出了超细煤粉富氧燃烧新方法，丰富了富氧燃烧理论体系；阐明了超细煤粉清洁高效转化多场协同调控机制，进而提出了多段组合式低氮燃烧新方法并成功商业应用，相关运行指标国际领先。 项目团队围绕煤炭资源的清洁高效利用这一国家重大需求开展了长期攻关，历经十余年潜心科研，从分子层面揭示了煤热化学转化及调控机制，完善了煤粉清洁高效燃烧理论体系，开辟了煤粉特征精细结构耦合热化学反应网络新方向，填补了煤粉特征精细结构调控煤氮定向转化机理的空白。在深入的理论研究基础上建立了煤粉清洁高效转化多场协同调控方法，创造了巨大的环境社会效益。相关成果发表SCI论文41篇，被《Progress in Energy and CombustionSCIence》等权威期刊多次引用，其中5篇代表性论文总他引246次，1篇入选ESI高被引论文，研究内容得到国内外院士、权威期刊编辑、领域知名学者的广泛关注和正面评价，受到美国犹他大学、美国东北大学、丹麦科技大学、浙江大学、华中科技大学等国内外著名研究机构学者的长期跟踪和引用，产生了重要的学术影响。