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内构件固定床低阶煤热解试验研究及机理分析

胡二峰  
【摘要】:我国低阶煤资源丰富,约占煤炭总量50%以上。低阶煤燃前通过热解提取其焦油组分是一种工艺简单、易于实现的高值化梯级利用途径。数十年来,国内外开展了大量的、以提高煤热解焦油产率和品质为目标的研究工作,针对低阶煤的热解特性进行了大量的研究。然而,截止到目前,尚无成熟的可利用非粘结性低阶细粒煤(0-10 mm)的热解技术。中国科学院过程工程研究所提出了内构件煤热解技术,通过利用内构件强化反应器内传质传热和调控气体流动,显出了良好的应用前景。本文利用依兰长焰煤,对内构件固定床煤热解技术进行深入研究,为新型反应器的设计、优化和放大提供依据。本论文主要研究内容和结果如下:(1)内构件固定床反应器内强化传热对煤热解特性的影响。结论如下:通过增加反应器内金属板数目,在固定床反应器内提供了一个更均匀的热分布,使得更多的热量被传递到煤料颗粒内部,使得热解反应更容易发生;此外,金属板数目的增加加大了颗粒间隙,降低了堆积密度;靠近金属加热板的煤料提前热解可能会产生气体短路,因而减小了热解气在煤料中的扩散阻力,使得跟多的热解产物流向中心低温煤料,进而增强了自由基的产生并抑制了大分子化合物的团聚,提高了焦油产率,轻焦油组分以及C9-C14组分含量。金属加热板数目的增加,有助于半焦挥发分的逸出,进而使得半焦产生更多的细孔,提高了半焦比表面积,减小了半焦的平均孔径。但当金属加热板数目过多时,提高的煤的加热速率加剧了热解产物的裂解,并在半焦表面积聚了部分固定碳;另一方面,过高的热解温度也可能使部分孔坍塌,因而比表面积和孔容急剧减小,平均孔径增大。(2)内构件固定床反应器内煤水分含量对煤热解特性影响的基础研究。重点考察了在内构件固定床反应器内,煤水分含量对热解特性的影响,并与无内构件的常规反应器煤热解特性进行对比。在有内构件反应器中,当煤水分含量增加,导致煤热解反应要求的时间延长,焦油中轻质组分(沸点低于360?C)含量明显升高,焦油收率、半焦热值和固定碳含量先增加后降低,热解水和热解气产率升高。当加热温度900?C,煤水分从0.41 wt.%增加至11.68 wt.%时,焦油产率从9.21 wt.%增长到10.74 wt.%;当煤水分增加到16.77 wt.%,焦油产量下降到8.55 wt.%。相反的,无内构件反应器的热解产物无明显差异。两种反应器气体平均组成随水分增加变化趋势相似。由于无内构件反应器内二次反应比有内构件反应器严重,故其H2含量更高,单位体积气体热值更低,两种反应器内气体热值均随水分增加都呈下降趋势。(3)进一步在100-kg级内构件固定床反应器重研究了不同水分含量煤的热解特性,为验证、优化新型反应器的操作条件提供理论依据。同时,本章还通过采用石英模拟100-kg级大装置,采用使两种反应器煤升温特性相似的加热方法,并使热解气相产物具有相同逸出路径,研究了不同厚度煤料对热解产物产率的影响。结论如下:试验结果表明:随着煤水分含量的增加,焦油产率先增加后降低,焦油中轻质组分含量逐渐增加。这也与实验室小试内构件反应器装置结果相吻合。随着煤层厚度的增加,热解焦油收率降低,焦油中轻质组分含量(沸点低于360?C)明显升高。当温度为800?C,煤层厚度从100 mm增加到200 mm时,焦油产率从6.96 wt.%下降到4.50 wt.%,焦油中轻焦油组分含量从62.50wt.%上升至76.80 wt.%,热解水和煤气产率增加,半焦产率略微降低。(4)在间热径向流反应器内考察了场效应(流场、温度场和压力场)对煤热解特性的影响。通过填埋石英砂改变流场,考察了流场对煤热解特性的影响;进而改变径向煤层厚度和煤层高度,考察了温度场变化对煤热解特性的影响。此外,操作压力对热解特性的影响也在本章得到了研究。结果表明:改变热解产物在反应器中的流动方向,使得更多的热解产物流向低温煤层,有助于提高焦油产率和轻组分含量。径向煤层厚度的改变,影响了煤层升温特性,改变了温度场部分,进而影响了煤热解特性。煤料层越厚,脱水及热解反应时间越长,但随着煤料层厚度的增大,这种差异逐渐减小,使得料层较厚的反应器具有较高的单位体积处理效率。焦油和半焦产率随着煤料层厚度的增加而降低,但焦油中360?C以下轻油组分含量呈增加趋势。同时,热解水和气的产率随厚度的增加而增加,气体平均组成中的H2含量随着煤料厚度增加逐渐升高,CH4含量则呈下降之势,其它组分含量变化不大,导致平均气体热值逐渐降低。而轴向煤层高度的改变,并不影响温度场,这也是该条件下焦油产率不变的主要原因。在后续内构件反应器的放大过程中,维持常压微正的条件对提高热解油气品质有益。(5)还原放大反应器后,研究了不同尺度反应器煤热解特性,并首次在现象学上考察了有/无内构件反应器内热解产物流动路径。结果表明:反应器的增大,增加了煤层厚度,改变了原有温度场的分布,降低了煤料热解平均温度和加热速率,有/无内构件两种反应器中心煤料达到500?C的热解反应时间均逐渐延长。在有内构件反应器内,焦油产率随厚度增加而降低,而无内构件反应器焦油产率随厚度基本无变化,其他产物变化趋势相似。即煤层厚度增加,两种反应器中热解水和气产率,轻焦油产率均升高,半焦产率和气体热值降低,但有内构件反应器具有更高油收率、更低的热解水产率和H2含量,且内构件减少热解产物二次反应和改变热解产物流动方向的优势不随煤层厚度增加而减弱。有内构件反应器所产半焦比表面积更大,沿径向从高温区到低温区,半焦热值逐渐升高。相比于有内构件反应器相同区域半焦热值,无内构件反应器高温区(外部区)半焦热值较高,而低温区(中心区)半焦热值较低。这是由内构件加入、改变了反应器内的热解气相产物逸出路径所造成的。EDS分析表明,内构件中心半焦碳元素富集程度远高于无内构件中心半焦,这也间接验证了有内构件反应器中煤热解气相产物沿径向从高温区向低温区均匀流动、逸出。热解反应后的石英砂层颜色首次在现象学角度验证了反应器内热解产物流动方向。结果表明:无内构件反应器中热解产物的流动方向为自煤料内部向反应器边壁,由低温区向高温区流动,而内构件反应器中热解产物向内部低温煤层流动、逸出,从高温区向低温区流动,该结果与半焦微观表征结果相吻合,分别在宏观和微观角度验证了热解产物在反应器内的流动方向。


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