煤矸石的微波加热特性及其煤层气脱氧工艺研究

发布时间：2017-04-06 06:05

  本文关键词：煤矸石的微波加热特性及其煤层气脱氧工艺研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：煤层气和煤矸石是采煤过程产生的两种废弃物,煤层气的主要成分为甲烷,是一种潜在的非常规天然气资源。由于在井下抽采作业时混入空气,直接使用容易发生爆炸,因此必须首先进行脱氧处理;煤矸石是一种热值低、灰分高、难于燃烧的固体废弃物,大量堆放会占用土地并且带来严峻的环境污染问题。本课题组在前期研究中提出加热煤矸石进行煤层气脱氧的工艺,可有效脱除煤层气中的O2和煤矸石中的碳,同时实现两种废弃物的资源化利用。但传统电炉加热时间长、能量利用效率低,在大规模工业应用中经济性较差。而微波辐射是一种快速高效的加热方式,目前已成功应用于选矿和冶金工业中。本文以微波加热煤矸石脱除煤层气中的O2为主要内容,针对煤矸石的微波加热特性、不同工艺参数对脱氧效果的影响规律及其背后的机理性原因进行了研究与讨论,并得到了最优的工艺参数,具体研究内容和结果如下:(1)通过常规与微波加热对比,发现煤矸石在微波加热下可快速升温。经过对煤矸石组分微波加热性能的研究,发现其中非炭质的矿物组分微波吸收较弱对材料升温作用不大,炭质组分的存在是煤矸石快速升温的主要原因。另外炭质组分的石墨化则进一步提高了材料的微波加热性能。(2)针对煤矸石炭质组分石墨化的现象,采用TEM、XRD、Raman等进行了研究。结果表明,随着温度的升高,煤矸石结构变得规整,石墨化程度加大,煤矸石的微波加热性能提高。该过程可能是微波作用使得碳迁移更加有序,从而实现了炭质组分在较低温度下的石墨化,焦炭在微波加热下的石墨化转变进一步强化了该认识。(3)本文讨论了微波加热前后煤矸石织构性质变化对脱氧效果的影响,结果表明微波加热提高了煤矸石的比表面积,促进了其与煤层气的接触,增强了脱氧效果。(4)针对脱氧过程中甲烷损失现象,结合实验结果与文献相关研究进行了深入讨论,结果表明甲烷裂解可能是导致甲烷损失的主要原因。反应温度升高和煤矸石中炭质组分含量增加都会促进甲烷的裂解。(5)研究了微波加热温度,煤矸石种类、用量、粒径以及煤层气氧含量对脱氧效果和甲烷损失的影响。结果显示,微波加热温度通过改变氧化反应速率和甲烷裂解量影响煤层气的脱氧效果;不同煤矸石因炭质组分含量不同,导致脱氧效果不同;煤矸石用量影响与煤层气的接触面积和接触时间,而粒径的变化影响堆积孔隙率,从而影响O2脱除效果;煤层气中的氧含量越高越有利于甲烷裂解反应。优化后最佳工艺条件:温度650 oC,煤矸石粒径124μm,用量100 g,流速300 mL/min,对氧含量小于16.8%的煤层气脱氧,可实现O2含量低于1%,CH4损失低于2.2%的结果。
【关键词】：微波加热 煤层气 煤矸石 升温特性 脱氧 石墨化
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD849.5;TE64
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-34
• 1.1 研究背景12-14
• 1.2 煤层气脱氧技术14-21
• 1.2.1 燃烧法14-16
• 1.2.2 低温精馏分离法16-18
• 1.2.3 水合物分离法18-19
• 1.2.4 膜分离法19-20
• 1.2.5 物理吸附法20-21
• 1.2.6 化学吸附法21
• 1.2.7 生物法[47]21
• 1.3 煤矸石概述21-28
• 1.3.1 来源及产量21-22
• 1.3.2 主要化学成分22-23
• 1.3.3 加热过程中各种组分的变化23-26
• 1.3.4 煤矸石导致的环境问题及利用现状26-28
• 1.4 微波理论基础及应用研究现状28-32
• 1.4.1 微波理论基础28-31
• 1.4.2 微波加热的应用研究31-32
• 1.5 本论文的主要研究内容32-34
• 第二章 实验部分34-42
• 2.1 实验原料及仪器34-36
• 2.1.1 实验原料34-36
• 2.1.2 实验仪器36
• 2.2 表征方法36-38
• 2.2.1 工业分析36-37
• 2.2.2 元素分析37
• 2.2.3 透射电子显微镜（TEM）37
• 2.2.4 X-射线衍射分析（XRD）37-38
• 2.2.5 拉曼光谱38
• 2.2.6 氮吸附38
• 2.3 实验内容38-42
• 2.3.1 微波加热装置及实验38-40
• 2.3.2 色谱检测40-41
• 2.3.3 数据处理41-42
• 第三章 煤矸石和焦炭在微波中的特性研究42-56
• 3.1 物质在微波场中的升温行为42-44
• 3.1.1 微波加热对物质的影响42-43
• 3.1.2 微波加热原理及影响因素43-44
• 3.2 常规加热和微波加热预处理的影响44-46
• 3.3 煤矸石中炭质组分和矿物组分的微波加热特性46-47
• 3.4 煤矸石和焦炭在微波加热前后的结构变化47-54
• 3.4.1 TEM表征47-48
• 3.4.2 XRD表征48-50
• 3.4.3 拉曼光谱表征50-52
• 3.4.4 N2吸附表征52-54
• 3.5 小结54-56
• 第四章 微波加热煤矸石用于煤层气脱氧反应工艺条件研究56-66
• 4.1 煤矸石种类对脱氧效率的影响57-58
• 4.1.1 氧气的脱除57-58
• 4.1.2 甲烷损失率58
• 4.2 煤矸石用量对脱氧效率的影响58-61
• 4.2.1 氧气的脱除58-59
• 4.2.2 甲烷损失率59-61
• 4.3 煤矸石粒径对脱氧效率的影响61-63
• 4.3.1 氧气的脱除61-62
• 4.3.2 甲烷损失率62-63
• 4.4 不同氧浓度煤层气的脱氧效率63-64
• 4.4.1 氧气的脱除63-64
• 4.4.2 甲烷损失率64
• 4.5 小结64-66
• 第五章 结论与建议66-68
• 5.1 结论66-67
• 5.2 创新性67
• 5.3 建议67-68
• 参考文献68-76
• 致谢76-78
• 在读期间研究成果78

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