低阶煤热解反应动力学实验与模型研究

发布时间：2020-08-02 20:38

【摘要】：煤热解是煤热加工利用的第一步反应,热解动力学模型可以预测热解反应速率,有助于理解煤热解过程中化学组分的相互作用、元素迁移及挥发分生成规律并预测热解产物分布。当前文献中已经报道多种热解动力学模型,评估其对不同煤种及热解工艺的适应性,厘清热解动力学模型参数选择的差异性,可为热解工艺及反应器的设计提供参考;研究热解过程中化学结构之间的相互作用机制,对完善热解反应理论及动力学模型具有重要意义。本文选取了三种低阶煤作为样本进行研究,通过吡啶抽提实验、元素分析、工业分析以及~(13)C-NMR固体核磁实验确定了煤样化学结构基本组成,在此基础上开展了热重(TG)实验研究(升温速率10-50),研究发现吐鲁番褐煤脂碳占总碳原子百分比相对于其他两种次烟煤高;对于三种煤样羧基碳含量较少,除天池煤外,其余两种煤样则有较为明显的羰基碳峰值。同时使用FWO模型、Friedman模型及KAS模型分析了三种低阶煤样TG脱挥发分动力学,评估了模型的适应性发现等转化率方法中FWO模型能够较好地描述TGA数据。同时采用分布活化能模型预测了三种低阶煤热解反应速率,根据等转化率方法中得到的指前因子分布函数,确定了适用于分布活化能模型中的不同煤种指前因子值,解决了以往分布活化能模型中指前因子选择存在任意性的困难。进而评估了反应级数、反应温度指数、反应阶段数以及活化能分布函数类型的影响,发现双高斯分布活化能n级反应模型对于三种煤样的TG曲线拟合最好。本文采用居里点裂解器(PY)对准东煤进行了快速热解实验研究,升温速率高达2000,研究发现当最终的热解温度约为1200 K左右时,颗粒的内部热量足以促进各种反应,并且煤颗粒中的温度梯度将降低。但温度低于1100 K时,由于煤颗粒局部发生热解导致不稳定桥,外围结构等化学组分产生的变化不同,因此失重随粒径变化出现一定差异。同时采用大分子网格模型对热失重过程进行预测,提出不稳定桥竞争与协调热解模型,很好的预测并解释了高温下非冷凝气体与焦油释放的不同步的现象,且能够较好地预测准东煤在PY快速裂解实验中的失重并揭示不同化学结构随温度变化的反应机理。实际工业中煤焦是热解的主要产物之一,热解过程对煤焦表观形貌变化具有重要影响。本文自行设计流化床热解装置,并成功制备了煤焦颗粒,与快速PY裂解制备煤焦进行了对比研究,发现流化床制备煤焦孔隙更为丰富;随热解温度的增高,PY裂解条件下煤焦粒径先减小后略微增加,而流化床热解制备的煤焦粒径减小;相较于原煤而言,两种热解条件下颗粒二维球形度均呈现出减小的趋势。
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ530.2
【图文】：

物释放机理还不完善。为了获取煤在热解过程中的动力学参数，实现轻质气体，焦油以及各个化学结构变化的预测，满足低阶煤热解分级炼制后续工艺对热解单元产物分布的利用，本文依托国家自然科学基金 低阶煤催化热解流化床多组分颗粒分布及固体相微观行为，对基于低阶煤不同热解工艺建立热解模型进行了分析研究，并对流化床热解煤焦进行了微观表征，得到了热解温度对煤焦表观形貌的影响机制。本文的主要研究内容如图 1-1 所示，首先对煤颗粒分别进行热重，PY 居里点裂解以及流化床热解三种工艺，并且同时用元素分析，13C-NMR 和吡啶抽提得到了煤的化学结构参数；对于热重法得到的失重曲线分别采用等转化率模型和分布活化能模型拟合得到了相应的动力学参数；对于 PY 裂解条件下得到的失重曲线，首先使用煤化学结构作为输入参数，得到了 Flashchain 模型中直链分子构型，并进一步改进不稳定桥反应机理对煤快速热解失重进行预测,得到不同微观结构随热解温度的变化情况；最后分别分析PY裂解条件下得到的煤焦与流化床热解条件下制备的煤焦孔隙结构与物理特征参数，比较两种制焦方法的差异。

图 2-1 煤样吡啶抽提实验装置Fig.2-1 pyridine extraction experiment devi究验现煤样在热解过程中失重的实时检测，且加能够得到在中低速热解条件下不同温度段的可以满足模型拟合法在热解动力学中的应用系统为常压热重分析仪(德国耐驰，STA449在常温下冷却至室温，将坩埚取出，称取

（a）示意图石英玻璃管电加热质量流量控制器氮气瓶入料口热电偶控制阀气体出布风板aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa aaaaaaa aaaaaaaa流化床压阀制阀纱网

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本文编号：2779031