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煤的化学族组成初步研究及其在煤等离子体热解制乙炔中的应用

田原宇  
【摘要】:煤的结构及其反应性研究是煤洁净转化和优化利用新技术开发和现有技术改造中最重要基础问题已引起人们越来越大的重视并用不同的方法进行了研究探索和应用实践。其中,基于煤的化学结构和组成的认识,研究煤在等离子体状态下的热解反应性就是一种重要的应用实践。本文针对煤等离子体直接热解制乙炔过程中煤的性质对热解机理和结焦机理以及反应产物的重要影响,开发了一种由环己酮回流抽提和CS_2—NMP混合溶剂超声波辅助抽提组成的两步抽提的溶剂体系,实验表明该溶剂体系对不同煤化程度的煤种均有较高的抽提率。在此基础上,提出了煤的化学族组成的概念和煤的六组分分离法,并对不同的煤种进行了煤的化学族组成初步研究。 另外,作者还通过柴油和空气的冷模试验研究了煤粉在等离子体射流中的混合问题,分析并选择了等离子体反应器中的进料方式。同时针对等离子体反应器中温度、射流速度和压力场的高梯度特性,提出了高温反应区和较高温度反应区的双反应区的反应器模型。 在煤化学族组成、煤粉与等离子体射流混合和等离子体反应器双反应区模型研究的基础上,对煤粉在热等离子体中的反应影响因素、反应产物和残渣以及结焦物进行了详细研究,讨论了煤在等离子体高温反应区中的拟自由基反应机理和较高温反应区中的自由基反应机理;根据煤在等离子体反应器内壁结焦的各种因素和结焦物的X R D和S E M的分析,讨论了煤在等离子体反应器中的结焦机理,解释了煤在等离子体中热解制乙炔中的结焦现象,并提出双粒径进料消焦的措施。 基于煤等离子体直接热解制乙炔的研究基础,提出了煤等离子体间接热解制乙炔的两个组合工艺,即煤快速热解和等离子体热解制乙炔组合工艺和煤连续焦化和等离子体热解制乙炔组合工艺。通过上述工作得到以下主要结论: 一、关于煤的两步溶剂抽提的研究 (1)煤的可溶化体系是煤化学族组成研究的前提,对可溶化体系的优化需要从高抽提率、溶剂回收性、普遍适应性、快捷省时、方便准确等多方面对溶剂选择、溶剂组合方式、溶剂抽提方式等因素综合考察和选择。 (2)一种较好的煤的可溶化体系由环己酮和CS_2—NMP(1∶1,v/v)复合溶剂 太原理工大学博士学位论文 组成,环己酮对煤采用回流连续抽提,CSZ一一NMP(l:1,v/v)复合溶剂 对煤采用超声波辅助室温间歇抽提。 (3)提出了相对抽提率的量化参数,应用该参数可实现溶剂对不同煤化程度 的煤种的可溶化程度的比较。 (4)环己酮和CSZ一NMP(l:1,v/v)复合溶剂的两步抽提对不同煤化程度的 各煤种均保持了较大的抽提率,基本达到对不同煤种的可溶化要求。 二、煤的化学族组成初步研究的结果 (1)提出了利用化学族组成研究方法对煤进行分子水平研究的新思路,并建 立了煤六组分分离法,为煤的结构和反应性研究提供了一种可行的途径。 (2)对神府、子长、东山、平朔煤进行化学族组成分离和红外表征的结果表 明煤六组分分离法可行,煤的各化学族组分与对应的石油的各化学组组分. 相似,可借鉴重油热裂化、焦化、加氢中一些比较成熟的基础理论认识煤 的热解、液化、气化、焦化等过程。 三、热等离子体射流中颗粒注入研究的结果 (l)利用柴油油雾在亚、超音速气流中横向喷射冷态模拟煤粉在等离子体射 流中的受力和运动轨迹,结果表明随着气流速度由亚音速向超音速增加, 一定速度的煤粉与气流混合均匀度变差,混和长度增加,符合动量传递规 律。 (2)煤粉在等离子体射流颗粒注入可选用载气喷射引射送粉、径向进料的方 式。 四、煤在等离子体中热解制乙炔的研究 (l)将等离子体反应区分为高温区和较高温区,使具有参数梯度的反应区假 设为两个拟均匀反应区,可以简化等离子体中化学反应研究的难度,较容 易地解释许多等离子体化工的实验现象。 (2)煤在电弧等离子体中反应的主要的产物是乙炔和一氧化碳,乙炔的来源 主要是煤中的饱和分和芳香分。 (3)随着等离子体发生器功率的增加,煤的乙炔收率增加:随着煤的粒度降 低,乙炔收率增加,残煤中的挥发分降低。 (4)在保证煤粉输送动量的前提下,应尽量减少载气流量,有助于提高煤的 太原理工大学博士学位论文 转化率和乙炔收率;供粉速率提高而煤粉动量降低,煤的有效转化率下降。 (5)淬冷有利于乙炔的生成,但同时污染了产品气,使分离难度增加;水淬 冷时,淬冷水与高温热解气反应,可生成CO和COZ。 (6)XRD分析表明反应后的残渣石墨化度增加,品胞参数尺寸增大。 (7)煤在电弧等离子体中热解机理可分为高温区拟自由基反应机理和较高温 区自由基链反应机理,实验数据说明这两种机理是合理的。 五、煤等离子体热解制乙炔装置结焦性研究的结果 (l)在电弧等离子体射流的条件下,煤种的结焦能力不同,煤中的芳香分、 胶质、沥青质和碳青质是结焦前驱体。 (2)影响反应装置结焦的主要原因


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