煤灰及其矿物组分对煤热解影响的实验研究

发布时间：2020-07-29 09:20

【摘要】：为了高效利用煤炭资源中的高价值组分,同时获取电力、热能、化学产品和液体燃料,基于固体热载体热解的煤分级转化利用技术得到了越来越多的关注。在该技术中,煤热解过程通常采用高温煤灰作为固体热载体,因此开展固体热载体煤灰及其矿物组分对煤热解的影响规律及其机理方面的研究工作就显得尤为迫切。本文搭建了快速升温管式炉热解实验装置,以淮南烟煤作为研究对象,详细研究了铁基矿物组分Fe2O3和Fe3O4、钙基矿物组分CaSO4和CaO、石英、偏高岭石以及淮南烟煤煤灰在不同温度条件下(500-800℃)对煤热解产物产率和气体组分的影响,并结合实验结果分析了其影响机理。Fe2O3会催化促进热解过程中间产物胶质体的芳构化作用和缩聚反应,使得更多的中间产物胶质体形成了半焦,导致较低温度下半焦产率增加。Fe2O3会抑制胶质体的裂解反应,抑制中间产物胶质体形成焦油,从而导致焦油产率下降。随着温度升高,Fe2O3对CH4的二次形成反应的催化促进作用也更加明显,这会导致热解煤气中的H2和CO以及半焦减少,而CH4和热解水增多。Fe2O3会与半焦中的碳以及热解煤气中的还原性气体H2、CO和CH4发生反应,这些反应在较高温度下比较低温度下进行得更强烈,会导致半焦产率以及热解煤气中的H2、CO和CH4体积产率下降,而CO2体积产率和热解水产率增加。添加Fe3O4对淮南烟煤脱灰煤热解产物的影响主要体现在较高温度如800℃时。在较高温度如800℃时,Fe3O4会与半焦中的碳以及煤气中的H2、CO和CH4分别发生反应,从而导致半焦产率下降,H2、CO和CH4的体积产率下降,CO2体积产率和热解水产率增加。与Fe2O3不同的是,添加Fe3O4对焦油产率基本没有影响。CaSO4对煤热解的影响主要在较高温度下尤其是800℃时体现。较高温度下CaSO4会与半焦中的碳以及煤气中的H2、CO和CH4分别发生反应,从而导致半焦产率下降,H2、CO和CH4的体积产率下降,CO2体积产率和热解水产率增加。CaSO4对焦油产率几乎没有影响。添加CaO对淮南烟煤脱灰煤热解产物的影响体现在实验所采用的整个温度范围内。在实验所采用的500-800℃的整个温度范围内,添加CaO会使得半焦和焦油产率都有所下降,而煤气产率有所增加。这是由于CaO能够促进半焦中大分子结构的分解以及催化焦油的二次裂解反应所导致的。CaO会吸收热解煤气中的CO2,从而导致CO2体积产率降低。CaO能不同程度地提高H2、CO、CH4以及C2-C3的体积产率,这是由于CaO会催化焦油的二次裂解反应、含氧官能团的分解以及烷基侧链的断裂。石英由于其化学反应惰性而对淮南烟煤脱灰煤热解产物产率以及热解产物中煤气组分体积产率几乎没有产生任何影响。偏高岭石则会使得淮南烟煤脱灰煤热解产物焦油的产率略有降低,煤气的产率略有增加,这可能是由于偏高岭石能够催化焦油分子结构中芳香环上烷基侧链的断裂,从而产生更多的轻质烃类气体C1-C3。淮南烟煤煤灰之所以会对淮南烟煤热解特性产生影响,主要是因为煤灰中所含Fe2O3和CaSO4在起作用,其中CaSO4主要在较高温度时才会起到作用,而煤灰中所含SiO2由于其化学反应惰性而对淮南烟煤热解几乎没有产生影响。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ530.2
【图文】：

年增长,一次能源消费,天然气消费,消费量

量也在逐年快速增长。２０１６年我国能源生产总量为３４．６亿吨标准煤，其中原煤生产占能源逡逑生产总量的６９．６％。２０１６年我国能源消费总量高达４３．６亿吨标准煤，比２０１５年增长１．４％，逡逑其中煤炭消费量下降４．７％［１］。如图１．１所示，２０１６年我国煤炭消费量占能源消费总量的６２．０％，逡逑这一占比虽然比２０１５年略有下降，但我国以煤炭为主的资源z赋决定了我国以煤炭为主的逡逑能源消费格局，煤炭消费占据能源消费主体地位这一格局短期内并不会改变。英国ＢＰ石油逡逑公司发布的ＢＰ能源趋势展望也指出，到２０３５年中国一次能源消费中煤炭占比仍将高达逡逑５１％Ｍ。我国仍将大量使用煤炭资源的能源形势短期内不会发生根本性的改变。因此，提逡逑高煤炭利用效率，减少煤炭利用过程中的污染排放，实现煤炭的高效、清洁利用是我国能逡逑源领域尤其是煤炭利用领域面临的一个重大课题。逡逑３．５％逡逑Ｌ５％邋▲逡逑６－４％＾＾８，３％逦■煤炭逡逑ｉ８ｋ．邋Ｍ逡逑图１．１邋２０１６年我国一次能源消费结构情况逡逑２０１６年我国原油消费量比２０１５年增长５．５％，天然气消费量比２０１５年增长８．０％。我国逡逑石油和天然气消费量在逐年攀升

流程图,干馏,固体热载体,褐煤

利用的ＥＴＣＨ方法［３４］有４－６邋ｔ／ｈ试验装置，其中加里宁工厂运行的４邋ｔ／ｈ试验装置曾进行了多灰逡逑多硫煤、褐煤以及泥炭等的试验研究，后来还建成了处理量为１７５邋ｔ／ｈ的工业化装置，其工逡逑艺流程如图１．４所示。在该工艺中，原料煤先在煤干燥管中被约５５０°Ｃ的热烟气加热干燥至逡逑１００－１２（ＴＣ，水分降至４％以下，然后在干煤旋风分离器中气固分离，加热后的干煤进入旋逡逑风混合器，在这里与来自加热提升管的热半焦混合，升温，随后在干馏槽内发生热解，析逡逑出挥发分。气态挥发分再进一步经过气液分离，得到焦油、煤气和热解水。干馏槽内的热逡逑解半焦产物和热载体半焦，一部分去加热提升管燃烧升温，作为热载体循环使用，多余的逡逑半焦输出作半焦产品［３５］。逡逑７逡逑

鲁尔,煤干馏,多联产,半焦

鲁奇鲁尔煤千饱技术是德国的Ｌｕｒｇｉ和Ｒｕｈｒｇａｓ两家公司联合开发的一种有多种用途逡逑的半焦热载体法煤干馏多联产工艺，处理原料包括煤、油页岩、油砂和液体烃类［３６］。该工逡逑艺流程见图１．５，煤与热载体半焦经双螺旋式混合器混合进入干馏反应器，在这里发生热逡逑解反应，析出挥发分。气态挥发分再进一步经过气液分离，得到煤焦油、煤气和水。煤气、逡逑重油或部分半焦在提升管中燃烧，以加热半焦热载体。该工艺具有产油率高、能耗较低和逡逑设备结构简单等优点［３５］。逡逑８逡逑

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