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西部弱还原性煤热解特性研究

赵云鹏  
【摘要】: 我国西部地区分布着众多的侏罗纪煤田,这些煤田对我国的能源供应起着重要的作用。由于成煤过程中受到的氧化性作用强,还原性作用弱,因此从成煤环境的还原性命名,称这些侏罗纪煤为弱还原性煤。独特的成煤环境导致弱还原性煤与普通煤物理化学性质存在明显的差异,但由于开采时间较短,对它们的热转化特性了解还比较少。煤热解是气化、液化、燃烧和炭化等煤热转化的基础阶段,因此为了合理和有效地利用我国西部弱还原性煤,有必要对它们的热解特性进行深入的研究。本文选择三种典型西部弱还原性煤(陕西神东煤、宁夏灵武煤和新疆哈密煤)及其显微组分为研究对象,并选择一种还原性煤(山西平朔煤)及其显微组分做对比研究,用热重质谱(TG-MS)和固定床反应器研究了还原性对煤热解特性的影响。论文取得的主要研究结果包括: 1.西部弱还原性煤具有低灰、低硫、低H/C、低灰熔点和高水分、高氧含量、高惰质组和高碱土金属含量的煤质特点。与平朔煤相比,西部弱还原性煤有较低的热解反应性和焦油产率,较低的C1~C4和C7-C8烃类逸出强度,较高的CO2逸出强度。1H NMR和FT-IR分析表明西部弱还原性煤焦油中脂肪族氢较多地与氧或其它脂肪族官能团相连,而平朔煤焦油中脂肪族氢较多地与芳香官能团相连;西部弱还原性煤焦油含有较丰富的含氧官能团。 2.在热重分析仪和固定床反应器上考察了内在矿物质、外加矿物质(CaO、Fe2O3和Al2O3)和钙镁离子交换对不同还原程度煤热解特性的影响。内在矿物质对煤热解反应性影响较小,但可以改变挥发分在热解产物中的分配,西部弱还原性煤内在矿物质有利于焦油的生成。Fe2O3和Al2O3对煤热解反应性影响较小,但都促进了挥发分向气体的转化,而CaO对煤的热解反应性和产物分布影响较大,并且对西部弱还原性煤和平朔煤的影响有所不同。钙和镁离子的存在对西部弱还原性煤高温阶段热解有催化作用,离子交换煤焦油产率较低,气体产率较高。 3.TG-MS分析表明同种煤样惰质组的热解反应性低于镜质组,西部弱还原性煤的镜质组和惰质组热解反应性分别低于平朔煤镜质组和惰质组;显微组分的热解过程可以用三段连续的一级反应模型来描述,计算的活化能为38~224kJ/mol;与平朔煤镜质组和惰质组相比,西部弱还原性煤镜质组和惰质组的Cl-C4逸出强度较低,而CO2逸出强度较高。固定床热解研究表明,西部弱还原性煤镜质组和惰质组挥发分易转化为气体,而平朔煤镜质组和惰质组挥发分易转化为焦油。不同比例镜质组和惰质组混合煤样的TG/DTG分析表明,镜质组和惰质组热解过程中协同作用不明显。 4.研究了平朔煤镜质组和惰质组热解过程中含硫气体的逸出规律。除黄铁矿分解产生的逸出峰外,惰质组的含硫气体逸出强度低于镜质组,H2S主要来源于两类基元反应,而其余含硫气体源于五类基元反应;镜质组和惰质组的总脱硫率均随热解温度的升高而增加,在650℃均达到60%左右,但惰质组有机硫较为稳定。 5.在热重分析仪上考察了不同还原程度煤镜质组和惰质组半焦的燃烧反应性。在相同的热解温度条件下,还原性煤镜质组半焦的燃烧反应性高于惰质组半焦,而西部弱还原性煤镜质组半焦的燃烧反应性低于或近似于惰质组半焦;西部弱还原性煤镜质组和惰质组半焦燃烧反应性高于还原性煤镜质组和惰质组半焦。内在矿物质存在降低了镜质组半焦的燃点温度,但对惰质组半焦燃烧反应有明显的抑制作用;三种外加矿物质对还原性煤镜质组和惰质组半焦燃烧均有明显的抑制作用,抑制顺序为Al2O3CaOFe2O3,而CaO对西部弱还原性煤镜质组和惰质组半焦燃烧有一定促进作用,Al2O3和Fe2O3对西部弱还原性煤镜质组和惰质组半焦燃烧反应的抑制作用较低。


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