褐煤与油页岩混合热利用研究及其数值模拟

发布时间：2020-08-24 15:11

【摘要】：煤碳的分级利用以及耦合其它能源利用是目前重点发展的洁净煤利用技术,国家发改委在对煤碳的分级利用以及耦合其它能源利用给予了极大的关注与支持。目前对于单一的煤的气化过程以及煤耦合生物质能源气化过程的特性研究较多,但是油页岩作为一种探明储量非常大的非传统化石能源,针对其与煤碳耦合利用的经济性以及环境影响的研究较少。开发高效低污染的煤炭与油页岩耦合热利用技术需要深入了解煤炭与油页岩耦合热利用过程的热动力学特性、产物析出特性与相互反应过程。基于此,本文通过实验研究分析、模拟验证以及数值模拟计算预测的方法对一下三个方面进行了研究:(一)油页岩的高灰分特性表明了其作为催化剂的潜在特性,与煤炭的耦合利用是否能促进高效低污染利用;(二)煤炭与油页岩的耦合利用的相互作用在脱挥发分过程以及焦炭的气化过程的机理;(三)数值模拟计算在研究煤炭与油页岩耦合利用的特性研究应用效果。首先,为了解燃煤耦合油页岩热解的基本特性,本文基于热重-傅立叶转换红外光谱联用实验平台,对两种不同煤种(褐煤以及烟煤)、一种油页岩以及不同燃料混合物料在程序升温控制下的热解特性、气态产物析出特性进行了综合分析,采用单一变量法研究了不同煤种、混合比例等因素对耦合热解过程反应特性、产物析出特性的影响。当油页岩与褐煤的混合比例为3:7时,气(液)产物的产量较单独热解增加了 1.4%。同时利用原位FTIR技术与KBr压片技术分析了样品原料表面的无机组分以及矿物组分,为多种燃料耦合反应的交互作用提供燃料物化特性支持。通过对耦合热解反应结果与理论计算值进行对比分析,发现了褐煤与油页岩耦合热解对气态产物具有选择性促进作用,芳香族—C-H与脂肪族—C-H的比值获得了增加,同时综合污染物析出得到了一定的抑制。通过对实时析出产物的分析,结合燃料基本物化特性以及前人研究的热解过程输入-产出模型,建立了油页岩与煤耦合热解过程的脱挥发分组分分布计算模型。随后为了更好地解释燃煤耦合油页岩热解过程,应用了两种无模型计算方法(KAS方法和FWO方法)获取了油页岩热解过程的表观活化能的值,在主要的失重阶段(转化率为0.2-0.9)时,油页岩的活化能的变化区间为210.32-268.33kJ/mol。利用Malek方法对实验过程中获取的热解活化能的值进行了校验,根据特征曲线对油页岩热解的反应模型进行选择,确定了 SestakBreggren模型。利用单方程热解模型耦合描述水分蒸发的Lee模型、描述矿物质裂解反应的连续型一级反应模型以及固定碳异相气化反应模型对实验过程进行了模拟。通过对比实验数据以及模型模拟结果,更好地解释了煤耦合油页岩热解的规律。在此基础上,进一步利用有限元分析的手段结合上述描述油页岩热解过程的集成模型并耦合动量方程、组分输运方程以及能量方程,对某小型固定床油页岩的传热实验过程进行了模拟。通过实验测量数据与模型模拟结果的对比分析,对传热传质模型进行了标定。为了进一步探索燃煤与油页岩耦合利用过程其它反应过程特性,在同一个平台上分别进行了燃煤与油页岩混合热解新生焦炭的CO2气化特性研究以及油页岩新生半焦对褐煤热解过程催化特性研究。本文创造性地通过阀门控制程序建立了四阶段新生焦炭气化特性研究方法,综合研究了燃料种类、热解温度、挥发分残留量对耦合气化反应过程的影响。混合气化中,混合半焦与二氧化碳反应的活性要高于其单独与二氧化碳反应的值。同时,基于油页岩高灰分特性的考虑,通过扫描电镜、X射线衍射等表征手段,分析了不同热解下油页岩半焦的孔隙结构、微晶结构等特性,揭示了温度对油页岩半焦形成的主要影响,并初步对油页岩半焦与燃煤耦合反应时的促进作用进行了分析。为进一步探索油页岩半焦在燃煤分级利用中的催化作用特性及规律,在卧式固定床反应装置中,制取了不同裂解工况下获得的油页岩半焦样品,并对页岩半焦的表面含氧官能团、矿物组分、无机氧化物以及某些痕量元素的含量等进行了表征。基于热重-傅立叶转换红外光谱联用实验平台完成的热重分析以及实时气体析出检测数据分析结果,发现通过慢速热解获得的油页岩半焦与褐煤混合热解,气态产物中-S=O、-C=O、-CH(芳香族与脂肪族)以及cH4均有明显的增加,验证了油页岩催化褐煤热解反应、提高反应活性以及提高合成气品质的应用前景。最后,为对建立的程序模型进行验证,采用基于有限元分析法发展的固体燃料气化模拟程序,对某以哥伦比亚烟煤为燃料的小试气化实验平台进行的气化实验进行了模拟以及对比校验,计算结果的各项参数的相对误差均在20%以内,绝对误差在4%以内,并进一步在该模型的基础上完成了部分关键参数的模型敏感性分析以及不确定性分析。在集成了本文发展的耦合热解模型、挥发分均相反应模型以及催化气化反应模型之后,研究了印尼褐煤与茂名油页岩耦合热解过程温度对产物析出的影响,结果表明该程序能够较好地实现单一变量的影响规律研究。热解模拟程序到气化模拟程序的有效扩展,证实了该程序为将来实际的工业气化炉的耦合气化过程进行模拟计算的潜力,并切通过自模型的陆续集成,能够实现更多功能,例如污染物预测、湍流流场预测等,具有较高的工业应用前景。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD849.2;TD83
【图文】：

需求量预测,煤炭资源,煤炭,直接燃烧

费量增长 6.6%。天然、电、核电、风电等清洁能源消费量占能源消费总量的 20.8%，上升 1.3 个百分点；煤炭消费量占能源消费总量的百分 2016 年下降 1.6 个百分点，但依然占消费总量的 60.4%。图1-1为 IEA 对我国蒸汽和煤炭的需求截 2040 的预测图表，其预测的结果表明在未来我国煤炭的总量要从增长转降低还需要较长的时间。煤炭资源主要的利形式包括直接燃烧、化、热解、直接液化等式，其中煤炭直接燃烧占我国总煤量 80% 左右。传统燃煤发电艺忽视了煤的资源属性，将煤炭1

外衬,原位红外,加热装置,样品池

[25]，因此在上世纪 80 年代起，便已应于化燃料的热解、燃烧、化等反应过程的产物检测中。图1-2 和1-3分别为原味红外池装置的意图以及原位红外反应池实体。图 1-2 原位红外池装置意图：1，14、冷却出 2，9、窗组件 3、出 4、英外衬 5、不锈钢外衬 6，10、冷却 7、热电偶 8、进 11、英内衬 12、样品池 13、加热装置1.3.2 煤炭耦合其它能源发电/供热在对造纸污泥与低阶煤的混合燃烧的研究中，发现混合燃烧对燃烧为具有促进作，虽然 10% 的造纸污泥的掺混例并不会影响各在脱挥发分或者燃烧过程的反应活性。混合燃料中的灰组分以及熔融性随着造纸污泥的例变化，两者的流体温度都相应升。研究同时表明，造纸污泥与煤混燃，提了次烟煤的结渣结焦概率[26]。TGA分析得到的稻壳与粉煤混合燃烧特性结果表明

原位红外,反应池,实体,燃尽率

图 1-3 原位红外反应池实体质的混合例呈严格的线性关系[27]。对这些现象的分烧之间并没有协同关系。另个在 TGA 上进的榛混合燃料的燃尽率并不总是与各燃料燃烧的燃尽率的数为 8% 时，混合物的燃尽率于理论计算值。当低了。总体，当质量分数在 10% 以内时，可在混合应，当物质的质量分数为 20% 时，则体现的是直垃圾混合燃烧的 TGA 研究中，发现着温度与挥发分且，在经过预处理的城市活垃圾与灰分印第安煤混有众多的学者研究了不同能源及其混合燃料燃烧过程究的结果表明，在相同的燃烧实验条件下（相同的终烧的难易程度以及燃烧化学强度不同。在些研究中，

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