加压条件下煤颗粒快速脱挥发分成焦特性研究

发布时间：2020-04-26 22:15

【摘要】：本文研究加压条件下煤颗粒快速脱挥发分成焦特性,包括煤焦的孔结构和气化反应活性。研究方法包含实验制焦和煤焦测试,用气泡模型模拟孔结构形成,以及计算反应动力学参数和扩散系数。主要结论是:煤种组成的复杂性,以及制焦加热速率、终温、压力等外部因素,通过影响脱挥发分过程的气泡扩散、聚并和逃逸行为,从而影响成焦的孔径分布;进而影响实际气化反应中处于动力学控制区的孔表面积占比,进而影响煤焦表观反应活性。利用清华大学设计搭建的加压沉降炉制焦系统,在终温1000-1400℃、表压0.0-1.7 MPa下制备陕北柳沟烟煤的煤焦样品,并使用常规仪器对焦样进行孔结构及气化反应性的测试分析。测试结果表明,对典型的胶粘性煤——柳沟烟煤:制焦压力升高对煤焦孔结构的影响是:孔分布数量减少,尺寸增大;比表面积降低;孔隙率升高;膨胀率先增大后缓慢减小;失重率减小,真密度减小;H/C增大。压力升高对气化反应活性的影响是:表观反应性与本征反应性均升高,原因是压力升高时比表面积下降对反应活性的抑制弱于H/C增大对反应活性的促进。制焦终温升高对煤焦孔结构的影响是:孔分布数量增多,尺寸减小;比表面积升高;孔隙率略微升高;膨胀率略微增大;失重率增大,真密度增大;H/C减小。终温升高对气化反应活性的影响是:表观反应性与本征反应性均降低,原因是终温升高时比表面积增大对反应活性的促进弱于H/C降低对反应活性的抑制。本文改进了文献的煤热解成焦孔结构生成模型,分析了压力和温度对气泡扩散、聚并以及逃逸三种过程的影响。通过模型计算表明,压力增大通过增强扩散和聚并作用而导致大孔增多、小孔减少;温度升高通过抑制扩散和聚并作用导致大孔减小、小孔增多。本文的模型计算预测与实验现象相符,可以解释压力、温度对孔结构生成的作用机制。本文利用热重分析结果推算本征反应速率,利用Thiele模数表征反应/扩散相对强弱。通过煤焦气化反应计算表明,在较低温度下的热重测试(900℃),所有孔径段都处于动力学控制区。计算发现,在实际气化反应中,总压升高后,不同孔径段的孔会在不同温度下进入动力学-扩散过渡区;针对微孔段的计算可以反映扩散对表观反应产生影响的起始温度;表观反应要考虑影响本征反应的活性位分布密度、孔结构总表面积及在扩散影响下提供的有效占比三个关键因素,由此提出分段计算有效表面积,量化孔结构对表观反应影响程度的方法。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ520.6

【参考文献】

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本文编号：2641950