内构件移动床碎煤热解中试产物分布特性

为验证内构件移动床反应器处理低阶碎煤制取高品质油气效果,在煤处理量为1 000t/a的中试平台上对0mm～10mm神木煤进行了连续运行热解实验,重点考察了炉温900℃条件下的煤热解产物分布及其基本特性。结果表明:在控制反应器底部最低排料温度530℃时,焦油产率可以达到格金干馏焦油产率的82.9%,焦油含尘量0.16%,焦油中360℃以下轻质组分含量为67.0%;半焦产率73.36%,其含S量有所降低,而发热量变化不大;热解气产率11.88%,其中富含甲烷和氢气,CH_4+H_2达73.0%。中试实验证明内构件移动床反应器可以有效处理碎煤热解,实现连续稳定运行,以较高收率制取高品质油气。     

煤热解过程分析与工艺调控方法

通过煤热解技术获取紧缺的油气资源是低阶煤清洁利用的有效途径之一。针对煤热解工艺存在焦油产率与品质难以控制以及焦油中粉尘含量高等关键技术问题,从煤的热解反应机理出发,详细探讨了热解挥发分二次反应的种类和发生条件以及影响热解过程的主要因素,结合煤热解技术应用,总结了逆向传热与传质所导致的挥发分气相二次反应是焦油产率下降的主要原因;同时,分析了热解过程中煤颗粒破碎机理以及煤热解过程中粉尘的主要来源。在前人研究结果的基础上,提出控制热解挥发分的流动方向从高温区向低温区流动、热解耦合气化以及耦合原位的焦油提质与除尘等方法可以调控煤热解过程,抑制重质焦油生成、提高焦油中轻质组分含量以及减少焦油中的含尘量,从而实现煤的定向热解。     

碎煤热解半焦干熄焦工艺的研究与开发

针对碎煤热解半焦粒度小、床层阻力大、换热能效低等问题,提出并设计了一套适合碎煤热解半焦的干熄焦工艺,该熄焦工艺采用高温半焦薄层直接接触换热方式,可实现冷却介质循环利用、半焦余热高效回收等。针对干熄焦过程中气焦比、床层压降、熄焦时间、热量回收等核心问题进行了理论计算,结果表明,所设计的碎煤热解半焦干熄焦工艺气焦比为1.28 m3/kg,床层压降为268 Pa,熄焦时间为0.68 h,吨焦可回收热量446 MJ以上。     

煤热解过程分析与工艺调控方法

通过煤热解技术获取紧缺的油气资源是低阶煤清洁利用的有效途径之一。针对煤热解工艺存在焦油产率与品质难以控制以及焦油中粉尘含量高等关键技术问题,从煤的热解反应机理出发,详细探讨了热解挥发分二次反应的种类和发生条件以及影响热解过程的主要因素,结合煤热解技术应用,总结了逆向传热与传质所导致的挥发分气相二次反应是焦油产率下降的主要原因;同时,分析了热解过程中煤颗粒破碎机理以及煤热解过程中粉尘的主要来源。在前人研究结果的基础上,提出控制热解挥发分的流动方向从高温区向低温区流动、热解耦合气化以及耦合原位的焦油提质与除尘等方法可以调控煤热解过程,抑制重质焦油生成、提高焦油中轻质组分含量以及减少焦油中的含尘量,从而实现煤的定向热解。     

内构件移动床固体热载体油页岩热解技术

从化学反应工程角度分析了小颗粒油页岩热解技术存在的共性问题和初级热解与二次反应的关系，提出了定向调控热解产物流动及其与挥发分反应匹配的方法。针对小颗粒油页岩热解制备高收率和高品质页岩油的技术需求，创新性地提出了内构件移动床固体热载体油页岩热解技术，通过内构件调控热解挥发分在反应器内的流动，实现热解油气原位过滤除尘和选择性裂解提质，以解决现有固体热载体热解技术长期面临的所产页岩油中含尘量高、重质组分高和油收率低等问题。建立了10 kg·h^-1内构件移动床固体热载体油页岩热解模式装置，验证了新工艺的可行性和先进性，展示出良好的技术应用前景。     

内构件移动床固体热载体油页岩热解技术

从化学反应工程角度分析了小颗粒油页岩热解技术存在的共性问题和初级热解与二次反应的关系,提出了定向调控热解产物流动及其与挥发分反应匹配的方法。针对小颗粒油页岩热解制备高收率和高品质页岩油的技术需求,创新性地提出了内构件移动床固体热载体油页岩热解技术,通过内构件调控热解挥发分在反应器内的流动,实现热解油气原位过滤除尘和选择性裂解提质,以解决现有固体热载体热解技术长期面临的所产页岩油中含尘量高、重质组分高和油收率低等问题。建立了10 kg·h~(-1)内构件移动床固体热载体油页岩热解模式装置,验证了新工艺的可行性和先进性,展示出良好的技术应用前景。     

松木屑颗粒热解过程中的热/质传递规律

为探索在固定床反应器中有机固废颗粒热解过程中的热量、质量传递机理,本研究从颗粒尺度上对有机固废松木屑颗粒热解过程建模分析,模型中考虑了焦油的二次裂解反应及挥发分在颗粒孔隙中的质量、动量传递过程,并采用达西定律模拟了挥发分在颗粒孔隙内的流动现象,对颗粒热解过程的吸热反应以及挥发分逸出时的对流换热对颗粒温度的影响进行考察。基于两步反应动力学模型,探讨了不同颗粒尺寸、热解温度对有机固废松木屑颗粒热解过程的影响。结果表明,热解吸热反应和挥发分的对流换热阻碍了热量向颗粒中心的传递,延长了颗粒达到均温的时间;松木屑颗粒热解时,颗粒内会存在明显的温度梯度,在颗粒表面主要受化学反应动力学限制,在颗粒内部则主要受热量传递过程限制。此外,热解温度越低,粒径越大,颗粒内部的传热阻力越大。松木屑颗粒完全热解所需时间会随着颗粒粒径的增大而增加,但当颗粒粒径在10mm以上时,随着颗粒粒径的增大,颗粒完全热解所需时间的增量要大于10mm以下颗粒。     

内构件固定床反应器中不同水分煤的热解特性

通过在有无内构件(传热板和中心集气管)固定床反应器中研究不同水分含量煤的热解特性,考察了两反应器中煤料的升温特性、热解产物分布、焦油品质以及气体产物组成和半焦热值。结果表明,内构件可以强化传热和调节热解产物在反应器内的流动,相对无内构件反应器,有内构件反应器的反应时间缩短近一半。在有内构件反应器中,当煤水分增加,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℃)含量明显升高,焦油收率先增加后降低,热解水和热解气产率升高,而无内构件反应器的热解产物无明显差异。当加热温度900℃时,煤水分从0.41%(本文中无特殊说明的均为质量分数) 增加至11.68%,焦油产率从9.21%增长到10.74%;当煤水分增加到15.93%,焦油产量下降到10.26%。两反应器气体平均组成随水分增加的变化趋势相似,气体热值均随水分增加呈下降趋势。     

废轮胎内构件固定床热解过程优化

通过分析废轮胎内构件固定床热解过程真空度和颗粒床层厚度对热解油收率和组成的影响，探讨废轮胎热解过程优化。结果表明：增大热解真空度和减小颗粒床层厚度均可促进热解油气更快地导出反应器，尽可能避免挥发分二次反应，从而显著提高热解油收率，但热解油中汽油馏分占比降低，馏分油占比升高；热解过程优化后（真空度为－5 kPa，颗粒床层厚度为10 mm），热解温度对热解油收率和组成影响不明显，热解温度为550～900 ℃时，热解油收率始终保持在50.1%～51.6%（格金分析油收率在95%以上），热解油中各组分占比无明显变化。     

移动床中内构件对煤热解反应过程调控作用

在外热式内构件（多级折流板和多段集气管）移动床反应器内研究了淖毛湖煤的热解特性,并与常规固定床反应器中煤热解行为进行对比,考察了两反应器内的传热速率以及热解温度对产物分布、热解气组成、焦油组成和品质等影响规律。结果表明：在450℃低温热解时,煤颗粒在内构件移动床内的升温时间比固定床缩短了60%以上,内构件具有显著提高反应器内颗粒间传热速率的作用。随着热解温度的升高,热解气中的C₂H₄/C₂H₆和C₃H₆/C₃H₈的比值变大,挥发分的二次反应程度加大,但裂解程度低于固定床。内构件移动床中的焦油产率随温度的升高先增加后降低,在550℃时达到最高为10.8%（质量分数）,比固定床增高约28.6%。当热解温度越高时,移动床所产焦油中的沥青质组分含量越低,在750℃时焦油中轻质组分质量分数达到85.17%,脂肪烃含量降低到了28.00%。通过与固定床对比,揭示了内构件（多级折流板和集气管）调控淖毛湖煤热解反应并提高热解焦油产率和品质的作用。     

温度梯度与产物流动对先锋褐煤热解产物分布的影响

通过两段固定床反应器分离了煤热解和二次反应过程,模拟了传统外热式固定床反应器和外热式内构件固定床反应器内挥发性热解产物流动与固相反应颗粒间的相互作用,研究了不同温度的半焦对先锋褐煤热解产物分布和品质的影响。结果表明：当半焦的温度在500～900℃时,焦油发生剧烈的二次反应,热解气收率增加,焦油收率大幅下降,H/C同时大量降低且均低于空白样,油品质下降;在100～400℃半焦作用下,焦油发生轻微的二次反应,热解气收率略微增加,焦油收率缓慢下降,但H/C均高于空白样,油品质提升。该结果验证内构件外热式固定床反应器热解产生的焦油具有更高的收率及品质。     

内旋式移动床煤热解新工艺开发及试验

采用2t/d外热内旋式移动床热解试验装置，通过控制反应器物料热解区及粉尘沉降气室区的温度，研究了内旋式移动床工艺温度分布对13mm以下神木煤热解产物产率及性质的影响规律。结果表明：物料热解温度控制为650℃和700℃时，煤料均实现了较好热解，半焦挥发分V_daf降低至10.36%～11.95%；相同物料热解温度，提高粉尘沉降气室温度后，辐射传热作用增强，半焦和焦油产率降低，煤气产率升高；在物料热解温度700℃，粉尘沉降气室温度500℃时，焦油收率Tar_d最高，为7.44%；物料热解温度为650℃，焦油模拟蒸馏360℃以下馏分含量为63.3%～72.0%，物料热解温度700℃时为67.5%～72.2%；相同物料热解温度，提高粉尘沉降气室温度后，焦油中轻油组分减少，洗油和沥青质含量增加，煤气中氢气含量增加；粉尘沉降气室温度达到550℃时，挥发物二次反应作用明显强于450℃和500℃；各工艺条件下，焦油中喹啉不溶物含量均低于1%，最低为0.51%。     

间热径向流反应器料层厚度对煤热解特性的影响

考察了方形径向流固定床煤热解反应器中变化煤层厚度对料层升温速度及煤热解产物分布特性的影响。随着料层厚度增加,导致煤热解反应要求的时间增长,热解水和气的产率相应增加,焦油和半焦收率逐渐降低,但焦油中轻质组分(沸点低于360℃组分)含量呈升高趋势,半焦和煤气热值稍许降低。如,加热壁温度900℃、从45 mm至105 mm增加煤料层厚度时,焦油产率从7.17%(质量,下同)下降到6.26% (相对干基煤),但焦油中的轻焦油组分含量则从67%升至72.7%,半焦产率由80.0%降至77.0%,热解水和煤气产率分别由6.96%和5.91%增至8.85%和7.90%,煤气热值则由24348.5 kJ·m^-3下降至20649.2 kJ·m^-3。所得半焦的热值径向上由高温侧向低温侧逐渐降低,煤料层越厚、热值降幅越大,而相同煤料层厚度处与加热壁平行的同一轴向平面上的半焦热值基本相同。针对研究的反应器,气相热解产物在反应器内沿径向(横向)由高温料层区向低温料层区流动。在该过程中伴随着热解产物对远离加热壁的低温煤料的传热、热解生成重质组分的冷凝和在煤/半焦颗粒表面的吸附截留,进而在低温料层进一步升高温度时发生二次裂解等物理化学过程。反应器内煤层厚度越大,上述各种伴随的物化作用越显著,从而明显影响煤料层的升温及热解特性。     

Suppressing secondary reactions of coal pyrolysis by reducing pressure and mounting internals in fixed-bed reactor

Pyrolysis of Shenmu coal was performed in fixed-bed reactors indirectly heated by reducing operating pressure and mounting internals in the reactor to explore their synergetic effects on coal pyrolysis. Mounting internals particularly designed greatly improved the heat transfer inside coal bed and raised the yield of tar production.Reducing pressure further facilitated the production of tar through its suppression of secondary reactions occurring in the reactor. The absolute increase in tar yield reached 3.33 wt% in comparison with the pyrolysis in the reactor without internals under atmospheric pressure. The obtained tar yield in the reactor with internals under reduced pressure was even higher than the yield of Gray–King assay. Through experiments in a laboratory fixed bed reactor, it was also clarified that the effect of reducing pressure is related to volatile release rate in pyrolysis. It did not obviously vary tar yield at pyrolysis temperatures below 600 °C, while the effect was evident at 650 and 700 °C but became limited again above 800 °C. Under reduced pressure the produced tar contained more aliphatics and phenols but less aromatics.     

热解温度和反应气氛对输送床煤快速热解的影响

在连续进料量为1.2 kg·h^-1的输送床反应器中考察了热解温度和反应气氛对不连沟次烟煤快速热解的影响。N₂气氛下,随着煤热解温度升高,焦油产率先增加后减小,600℃时达到最大值10.3%;对应的半焦产率下降,气体产率以及气油比增加。高温促进了煤挥发分的释放以及挥发分在气相中的二次反应,部分产物从固相和液相产品转化为气相产品,氢气、甲烷和乙烯等气体组分的产率明显增加。700℃下,H₂气氛能够抑制挥发分二次反应的发生,起到稳定自由基和加氢的作用,显著提高焦油产率和油品品质,同时有利于甲烷的生成。CO气氛在一定程度上同时提高了轻质和重质焦油产率。CO₂和水蒸气能够促进焦油的二次反应,特别是重质焦油的裂解,具有一定的提质作用,但会导致焦油产率下降。CH₄气氛促进了重质焦油组分的生成,使得热解焦油产率提高。     

Fundamentals of coal topping gasification: Characterization of pyrolysis topping in a fluidized bed reactor

Coal topping gasification refers to a process that extracts the volatiles contained in coal into gas and tar rich in chemical structures in advance of gasification. The technology can be implemented in a reactor system coupling a fluidized bed pyrolyzer and a transport bed gasifier in which coal is first pyrolyzed in the fluidized bed before being forwarded into the transport bed for gasification. The present article is devoted to investigating the pyrolysis of lignite and bituminite in a fluidized bed reactor. The results showed that the highest tar yield appeared at 823 to 923 K for both coals. When coal ash from CFB boiler was used as the bed material, obvious decreases in the yields of tar and pyrolysis gas were observed. Pyrolysis in a reaction atmosphere simulating the pyrolysis gas composition of coal resulted in a higher production of tar. Under the conditions of using CFB boiler ash as the bed material and the simulated pyrolysis gas as the reaction atmosphere, the tar yields for pyrolytic topping in a fluidized bed reactor was about 11.4 wt.% for bituminite and 6.5 wt.% for lignite in dry ash-free coal base.