滇东褐煤流化床部分加氢热解的实验研究

发布时间：2020-10-10 08:37

　　云南是我国的第二大褐煤基地,但其褐煤开发利用程度低,利用问题急需解决。本文以一种基于焦载热的流化床干馏工艺为研究基础,以滇东褐煤为研究对象,系统地研究了褐煤流化床热解及部分加氢热解的相关反应特性。首先选取了7种滇东褐煤进行了结构及热解特性分析。然后以水城褐煤作为代表,在不同的热重实验装置中考察了水城褐煤的升温、等温热解及加氢热解特性,并建立了相应的动力学模型。随后在鼓泡流化床实验装置中考察了热解温度、颗粒粒径对水城褐煤热解产物分布及组成的变化规律,初步建立了褐煤颗粒在流化床中的传热-热解模型。最后实验研究了低浓度H2及模拟热解气气氛对水城褐煤流化床热解产物分布及组成的影响。主要的研究内容和结果如下:(1)7种滇东褐煤的傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析结果显示,滇东褐煤红外光谱图中的羟基、脂肪烃和含氧官能团区域可以分别用6个、6个和18个Gaussian峰进行拟合。热重-质谱(TG-MS)实验的结果则显示,滇东褐煤的热解初始温度为253-270℃,热解最大失重率温度为421-453℃,热解主要气体产物的逸出峰温为400-700℃,表明滇东褐煤比较适合低温热解。(2)水城褐煤升温热解的虚拟组分热解模型可以用4个平行反应进行模拟,活化能为39.25-83.59 k J/mol;等温热解的挥发分产率则可以通过公式0.9 6 201.7 7()e x p[0.9 4 7 1 0(())]d a fV V R T T￥￥=-′-进行预测。水城褐煤加氢热解的分布活化能模型采用Miura积分法进行计算,活化能分布于18.53-114.54 k J/mol。(3)水城褐煤流化床热解的实验研究表明,热解焦油产率在600℃达到最大,600℃以上二次反应显著,焦油产率下降。相同的热解温度下,随着褐煤颗粒粒径的增大,热解焦油产率呈减小趋势,但总体并不显著,热解气中的某一具体产物并不一定随颗粒粒径增大单调递增或递减。(4)600℃下水城褐煤流化床部分加氢热解(低浓度H2及模拟热解气气氛)的实验研究表明,在研究的浓度范围(15 vol%)内,H2浓度的增加提高了褐煤的热解转化率,降低了热解焦油产率,但提高了焦油中酚类化合物的相对含量。模拟热解气气氛下的热解焦油产率略高于15 vol%H2气氛,但仍低于N2气氛,原因在于模拟热解气中CH4和CO2的重整反应一定程度上促进焦油产率的增加,但H2仍起主导作用。
【学位单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TQ530.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章引言
    1.1 课题背景及意义
        1.1.1 我国能源及煤炭利用现状
        1.1.2 我国褐煤资源的分布与利用
        1.1.3 一种基于焦载热的褐煤干馏工艺的提出
        1.1.4 本课题研究的意义
    1.2 研究现状及进展
        1.2.1 煤的热解
        1.2.2 煤的加氢热解
        1.2.3 现有研究总结
    1.3 本文研究目标和主要内容
        1.3.1 研究目标
        1.3.2 主要研究内容
第2章煤样及实验设备与方法
    2.1 煤样的选取与基础性质分析
        2.1.1 煤样的选取与制备
        2.1.2 煤样的工业分析及元素分析
        2.1.3 煤样的灰成分分析
        2.1.4 煤样的铝甑低温干馏实验
    2.2 实验装置
        2.2.1 热重-质谱实验装置
        2.2.2 在线称重天平实验装置
        2.2.3 磁悬浮热天平实验装置
        2.2.4 鼓泡流化床实验装置
    2.3 测试与分析
        2.3.1 原煤及热解固体产物的分析
        2.3.2 热解气体产物的分析
        2.3.3 热解液体产物的分析
    2.4 产物收率计算
    2.5 本章小结
第3章滇东褐煤的结构特征及热解特性研究
    3.1 前言
    3.2 实验部分
    3.3 实验结果和讨论
        3.3.1 滇东褐煤的红外光谱结构特征
        3.3.2 滇东褐煤的热重质谱实验
    3.4 本章小结
第4章水城褐煤的热解与加氢热解动力学研究
    4.1 水城褐煤的热解
        4.1.1 实验样品
        4.1.2 实验工况
        4.1.3 实验结果和讨论
        4.1.4 煤的热解模型
    4.2 水城褐煤的加氢热解
        4.2.1 实验样品
        4.2.2 实验工况
        4.2.3 实验结果和讨论
        4.2.4 加氢热解过程的动力学研究
    4.3 本章小结
第5章水城褐煤流化床热解的实验与模型研究
    5.1 实验描述
        5.1.1 实验用煤
        5.1.2 实验方法
    5.2 实验结果与讨论
        5.2.1 热解温度对热解的影响
        5.2.2 颗粒粒径对热解的影响
        5.2.3 实验误差分析
    5.3 煤颗粒热解模型研究
        5.3.1 模型的描述
        5.3.2 模型的求解
        5.3.3 模拟结果和讨论
    5.4 本章小结
第6章水城褐煤流化床部分加氢热解的实验研究
    6.1 实验内容
    6.2 实验结果与讨论
        6.2.1 氢气浓度对热解的影响
        6.2.2 模拟热解气气氛对热解的影响
    6.3 本章小结
第7章结论与展望
    7.1 研究结论
    7.2 论文创新点
    7.3 对未来工作的展望
参考文献
致谢
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

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