煤拔头工艺中烟煤快速热解产物分布的实验研究

摘要

中国是以煤为主要能源的国家，煤约占中国能源消耗的70％。在中国，煤炭的80%以上直接用于工业和民用燃料，其效率低下，且给环境带来严重的污染。与此同时，中国的石油、天然气资源严重匮乏，日益依赖进口。为了高效地综合利用煤炭资源和缓解中国石油进口压力，中国科学院过程工程研究所提出了“煤拔头”工艺的概念。该工艺在下行床热解装置与循环流化床燃烧室集成的系统中实现。煤粉从下行床的顶部加入，与来自燃烧室的循环热灰强烈混合升温，在常压、较低温度(550～700℃)、无氢气和催化剂存在的情况下实现快速热解。生成的气相产品在下行床的底部通过快速分离器分离后，进入急冷器进行快速冷却，得到液体中烃。分离下来的半焦返回循环流化床中燃烧，可以供热和发电，从而实现“油、煤气、热、电”多联产。
　　本文通过研究煤的慢速热解和快速热解过程，了解拔头工艺煤的热解特性，探索煤拔头工艺合适的工艺参数，以获得尽可能多的液体燃料和精细化学品。
　　首先采用热重-傅立叶红外光谱仪联用技术研究了鹤岗烟煤在升温速率为30℃/s，终温为900℃的条件下的热解过程，重点考察了热解气体(包括气态焦油)的析出规律。研究表明，鹤岗烟煤在430～650℃区间发生剧烈分解，生成大量CH4、CO2、CO以及其它气态产物，在700℃以上仍然有大量CO2和CO产生。
　　然后在喷动载流床反应装置上进行鹤岗烟煤的快速热解实验(升温速率为103K/s数量级，给料率约为4g/min)，考察了热解温度对煤的快速热解产物分布的影响。实验发现，鹤岗烟煤在550～700℃温度范围内快速热解时，固体产物产率随热解温度递减，而气体和液体产物产率随热解温度递增，气体产物主要成分为无机气体(如H2、CO、CO2)和有机气体(如CH4、C2H6、C2H4等气态烃类)。在700℃时，液体产物的产率达到22%(干燥基煤)，总挥发分与工业分析挥发分之比达到1.14。通过热重分析方法研究了热解半焦的燃烧反应特性，随着热解温度增加，半焦的燃烧特性呈现下降趋势。建立了喷动床内煤粉颗粒快速热解模型，从计算结果可以看出，平均升温速率随床温的升高而增加；煤粉热解速率随床温的升高而更迅速到达最大值，热解所需要的时间随床温升高而迅速减少。
　　最后在下行床煤拔头工艺装置中进行了拔头烟煤的快速热解实验，获得了在给料率为1.5kg/h、热解温度为558℃下的热解产物分布，为装置的放大试验提供了基本的实验数据。

目录

煤拔头工艺中烟煤快速热解产物分布的实验研究

EXPERIMENTAL STUDY ON FLASH PYROLYSIS PRODUCTS DISTRIBUTION OF BITUMINOUS COAL IN COAL TOPPING PROCESS

摘要

Abstract

绪论

1.1 课题背景和意义

1.1.1 我国的能源概况

1.1.2 煤的综合利用

1.1.3 煤炭拔头的提出

1.2 煤快速热解的研究现状

1.2.1 流化床(Fluidized Bed Reactor)

1.2.2 固定床(Fixed Bed Reactor)

1.2.3 金属丝网(Wire-Mesh Reactor)

1.2.4 居里点热裂解仪(Curie Point Pyrolyzer)

1.2.5 沉降炉(Drop-Tube Reactor)

1.3 本文的研究内容与方法

1.4 本章小结

第2章 煤的热解化学

2.1 煤的热解过程及其影响因素

2.1.1 煤的热解过程

2.1.2 影响煤热解的因素

2.2 煤在热解过程中的化学反应

2.2.1 有机化合物的热裂解规律

2.2.2 煤热解过程的主要化学反应

2.3 煤的热解机理及热解模型的发展

2.3.1 单方程热解模型

2.3.2 双方程反应热解模型

2.3.3 无穷平行反应热解模型

2.3.4 Chermin和van Krevelen模型

2.3.5 FG-DVC模型

2.3.6 粉煤热解通用模型

2.4 煤的快速热解反应过程

2.5 煤焦油的组成

2.6 本章小结

第3章 煤热解特性的TG-FTIR联用实验研究

3.1 煤热解的TG-FTIR联用实验

3.1.1 实验仪器

3.1.2 实验物料

3.1.3 实验条件

3.1.4 煤热解过程的热重分析

3.1.5 煤热解过程的FTIR分析

3.2 煤热解动力学

3.2.1 热分析动力学

3.2.2 热解动力学参数

3.3 本章小结

第4章 煤在喷动载流床中的快速热解实验

4.1 实验装置

4.1.1 喷动载流床实验装置

4.1.2 气相色谱仪

4.2 实验条件与步骤

4.2.1 实验条件

4.2.2 实验步骤

4.3 数据处理方法

4.4 热解温度对煤快速热解的影响

4.4.1 热解温度对无机气体产率的影响

4.4.2 热解温度对有机气体产率的影响

4.4.3 热解温度对气体、液体和半焦产率的影响

4.4.4 半焦和煤的燃烧特性实验

4.5 煤粉在流化床反应器中的热解模型

4.5.1 热解模型

4.5.2 计算结果

4.6 本章小结

第5章 下行床煤拔头工艺的实验研究

5.1 下行床煤拔头工艺流程与装置

5.2 下行床煤拔头实验

5.2.1 实验原料

5.2.2 实验步骤和工艺条件

5.2.3 实验数据处理方法

5.2.4 实验结果

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢