煤的部分裂解气化反应技术基础研究

发布时间：2020-10-19 17:20

　　 近年来,我国经济快速发展对能源的需求急速增加,煤炭生产与利用的快速增长为社会经济持续发展做出了巨大贡献,同时也导致了严重的环境问题,并引发了一系列的社会经济问题。开发煤炭资源高效清洁的转化技术对我国社会经济的进一步发展具有极其重要的意义。随着高品质煤炭资源的不断消耗,储量巨大的低品质煤炭资源的开发和利用逐渐被重视起来。煤基分级转化多联产技术是将煤作为原料利用的代表,集合了电力、化工和建材等多个系统,将煤炭资源利用的多个工艺作为整体考虑,将整体效率最优化,从而实现煤炭资源的高效清洁利用。但是,多联产系统目前还缺乏全面和深层次的研究,尚未形成完整的理论体系,相关理论研究滞后于工程应用发展。煤炭分级利用多联产系统的一次产品包括裂解产生的半焦、低热值煤气及合成气等,提高系统的总体效益,深入了解煤炭的裂解机理、拓展裂解产品的综合利用以及探索合适的裂解原料煤等成为煤基分级转化技术的关键问题。文本选取神华准混2#煤、新疆准东煤、内蒙宝日希勒煤和云南昭通煤等不同煤阶的煤种作为研究对象,采用固定床裂解炉对不同煤阶的煤种进行裂解机理研究,分析了不同颗粒尺寸、不同裂解温度对挥发分析出速度、析出总量以及轻质组分和大分子焦油组分的变化的影响规律。结果表明,挥发分的析出速率和析出总量随裂解温度的升高大幅增加,当裂解温度从500℃升高至1000℃时,神华煤裂解气析出总量从93ml/g增加至395ml/g；在固定床实验装置中,颗粒尺寸对挥发分的析出总量和挥发分的析出速率影响效果不明显。800℃以上的高温裂解,煤阶相对较高的煤种由于芳香结构的缩聚和脱氢反应,裂解气中CH4和H2的产量急剧增加。裂解气轻质组分热值随温度的升高不断增大,当裂解温度从500℃升高至1000℃时,神华煤裂解气轻质组分热值从15.33MJ/Nm3升高至16.33MJ/Nm3,昭通褐煤热值从7.16MJ/Nm3升高至16.71MJ/Nm3。当裂解气氛中存在CO2和水蒸气时,CO2与水蒸气在高温高压的条件下可与碳发生部分气化反应,进一步增加裂解气的产量。本文通过热分析的方法,分析了常压条件下不同反应温度和不同反应气氛对煤焦的部分气化反应的影响,从碳转化率、反应速率和反应活化能评价煤焦的部分气化反应的难易程度。研究结果表明气化温度越高,碳转化率越高,反应越容易进行,在常压条件下,CO2-60%/H2O-40%的反应气氛中,宝日希勒褐煤煤焦1000℃温度下的碳转化率可达到80.63%。半焦是煤基多联产系统的主要产品之一,可以直接作为燃料用于燃烧、或者经过活化制备成活性炭、吸附剂等用途,也可以将其制备成水焦浆用于煤气化和煤化工等行业。本文以褐煤在不同温度下氮气气氛中裂解得到的半焦为原料,制备高品质水焦浆,水焦浆成浆浓度由原煤的40%提高至60%以上,且具有良好的流变特性和稳定性。根据傅里叶红外光谱对样品的官能团结构测量结果显示,随着裂解温度的提高,样品中亲水性含氧官能团急剧减少,是导致褐煤成浆特性得到显著改善的原因。褐煤因为其活性很好,是一种很好的裂解气化原料,但是褐煤水分含量很高,在运输和使用过程中都会增加成本,因此本文采用非蒸发水热提质法对低品质煤进行提质处理,研究提质煤的裂解及燃烧特性,从初始失重温度、最大失重速率、失重结束温度以及着火点温度、燃尽点温度等特征参数评价提质过程对低品质煤裂解燃烧宏观特性的影响。同时,本文还对提质后煤样的煤质特性、微观孔隙结构以及碱金属含量的变化进行分析,从机理上探讨水热改性法对低品质煤宏观特性影响的原因。研究结果表明,经过改性提质后的低品质煤的裂解及燃烧特性曲线均向高温区推迟,提高了低品质煤的稳定性；同时,最大失重速率均有所提高,昭通煤的裂解和燃烧最大失重率分别提高32.46%和66.67%,有利于低品质煤的裂解和燃烧。水热改性后低品质煤的裂解及燃烧活化能均提高,昭通煤和准东煤的裂解反应活化能分别提高16.43KJ/mol和5.03KJ/mol,裂解及燃烧特性向高阶煤靠近。针对我国煤炭储量巨大、煤质多变、结构复杂的特点,而煤质特性是影响煤炭的裂解特性的最主要的因素之一,选择合适的煤种作为裂解原料往往需要对研究煤种进行大量的基础实验。本文采用煤裂解CPD预测模型,对煤粉裂解过程中挥发分释放特性以及煤粉裂解产物的分布情况进行模拟,并与实验结果对比。结果显示,CPD模型对于煤裂解的轻质组分释放特性的预测和裂解产物的分布的计算具有一定的准确性,对C02和CO等一次气体产量预测值与实验值偏差均在2%以内,而对于CH4和H2等会在煤焦油的二次裂解以及裂解气体与焦炭的二次作用产生的气体预测的准确性偏低。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TQ541
【部分图文】：

图１．１?１９７１－２０１２年世界最终能源消费总量Ｗ??注：’世界能源消费包括国际航空与国际海洋能源消费：＂泥炭与油页岩计算在煤消费中；‘＂生物质燃料??和废弃物最终消费量只对一些国家的消费进行了评估；其他燃料包括地热能、太阳能、风能和热能??等。??

浙化人学巧±学巧论义?＾??随着世界经济的快速发焉，世界能源消费量逐年增加。图１．１显示了?１９７１年至２０１２??年的四十年中世界最终能源消费总量的变化情况，１９７３年世界最终能源消费总量为??４６７２Ｍｔｏｅ，到２０１２年世界能源消费量增长至８９７９Ｍｔｏｅ；其中１９７３年和２０１２年化石燃料??消费量分别占最终能源消费总量的方％和６６％，虽然化石燃料消费量在能源供给中的比例??在下降，但是化石燃料仍然是能源供给的主要来源。１９７３年世界经合组织成员国家最终??能源消费占６０．３％，非世界经合组织地区的欧洲及欧亚大陆国家消费１３．５％，中国消费只??占７．９％；随着发展中国象的经济发展与能源的需求，发展中国家的能源需求急剧增加，??至２０１２年中国最终能源消费占１９．１％，除中国Ｗ外的亚洲地区Ｌ乂及中东地区分别占１２．７％??和５．０％

的生态环境造成严重的影响。煤炭燃燒产生的Ｃ〇２是煤炭利用过程中温窒气体的主要来源，??１９７３年全世界由不同类型燃料燃烧产生的Ｃ〇２量为１５６３３Ｍｔ，至２０１２年该数据增加至??３１７３４Ｍｔ，其中燃煤释放的比例分别为３５．０％和４３．９％?（图１．４）。根据《全球碳预算》显??示，化石燃料二氧化碳排放量的最大排放源包括中国（２７％）、美国（１４％）、欧盟（１０％）??和印度（６％）。为此，巧国政府己经制定了严格的单位ＧＤＰ碳减排目标，根据《＂十二五＂??４??
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本文编号：2847491