典型煤种加压热解与气化实验研究

为了解压力对煤粉颗粒热解特性与固体煤焦的气化活性的影响，及其与煤粉颗粒特性的关联关系，采用加压热重分析仪在常压和3MPa下分析了4种我国典型工业用煤的热解失重特性，同时对煤焦的孔隙结构和化学组成进行了分析，并采用常压热分析仪比较了所得煤焦的CO2气化特性。结果显示高压不利于煤颗粒的热解，增加了煤焦的产量，而煤焦中H元素的含量明显降低；煤焦的气化活性也有明显降低。压力对不同煤种的影响因煤特性而异，褐煤焦的比表面积明显减少，而烟煤、无烟煤与贫煤的比表面积却有所增加，进而对煤焦气化特性的影响也有明显不同。     

热解条件及煤种对煤焦气化活性的影响

该文对煤焦的常压CO2气化活性与热解制焦条件及煤种的关联耦合进行了分析研究。采用加压热重分析仪与常压热重分析仪联用对不同煤种在不同热解压力与热解终温制得煤焦的CO2气化活性进行对比分析,并提出最大比气化速率和平均气化速率用于表征煤焦的气化活性。最大比气化速率能准确表征煤焦的最大气化活性,其随热解压力的升高先减小后增大,而随热解终温的升高先增加后减小。小龙潭褐煤具有较高的最大气化活性,而神府烟煤和平寨无烟煤的最大气化活性较低。平均气化速率可很好地描述煤焦的气化过程和气化完全信息,两者结合可全面、有效地反映煤焦的气化特性,为气化炉的设计提供科学依据。     

热解条件对煤焦孔结构和反应性的影响

使用加压热重分析仪、马弗炉和常压滴管炉装置对褐煤、次烟煤、烟煤进行制焦,应用压汞法、低温N2和常温CO2吸附法测定煤焦孔结构参数,并通过扫描电镜观察煤焦表面形貌,测定了煤焦的CHN元素含量,利用热重分析仪测定焦900℃下的CO2气化反应活性,研究了压力、升温速率、高温停留时间对孔结构和气化反应性的影响。研究表明,慢速升温下提高热解压力会降低孔表面积和气化反应性;提高升温速率,降低高温停留时间,则微孔表面积降低,中孔显著增加,大孔的分形维数降低,化学反应活性提高;煤焦反应活性主要与残余挥发分含量相关,其次受到大、中孔表面积影响,而与微孔无关。     

准东煤热解特性及气化活性实验研究

采用热重分析法研究了热解终温和升温速率对准东煤热解特性的影响以及热解终温对准东煤气化活性的影响。研究表明,准东煤热解过程可分为3个阶段:干燥脱气阶段、活泼分解阶段和缓慢热解阶段;热解温度?800℃的时候,准东煤热解过程基本结束;升温速率提高,准东煤热解最大失重量和热解特性参数D增加;当气化温度较低的时候,热解终温对准东煤气化活性的影响比较明显,低温焦表现出更好的活性,气化温度较高时,各煤焦的气化活性有趋于一致的趋势。     

胜利褐煤的加压热解特性分析

采用高温加压热重分析仪进行胜利褐煤的加压热解实验,并通过便携红外气体分析仪在线检测气体产物的释放,考察压力对煤热解过程的影响并进行动力学参数的计算。研究表明：不同压力下煤的热解都可以分为3个阶段,随着热解压力的升高,低温段的热解失重峰向更高温度偏移,而中温段的热解失重峰则向较低的温度偏移,煤焦的产量逐渐增大,CO释放量逐渐增多,而CH4释放量并无明显的规律;不同压力下的热解反应活化能差异不大,并同指前因子之间有良好的动力学补偿效应,相关系数达到0．982。     

神府煤加压热解特性及热解动力学分析

煤的加压气化是煤清洁利用的关键,作为气化反应的初始阶段,煤热解特性对煤气化过程有着重要的意义.为了深入了解煤的加压热解机制,该文采用加压热重分析仪研究了我国的一种典型烟煤--神府煤在不同压力下的热解失重特性,采用挥发分释放综合特性指数(D)与非等温法,结合不同的扩散机制函数分析了神府煤加压热解动力学机制.研究发现神府煤的热解主要包括煤样的干燥脱水、挥发分的析出以及大分子焦油的二次裂解;加压对神府煤的热解过程有明显的影响,热解压力小范围的升高(＜0.8MPa)有利于挥发分的析出,然而过高的压力不利于挥发分的快速析出,挥发分释放综合特性指数可很好地表征神府煤加压热解过程中挥发分的析出特性.热动力学分析表明,三维球扩散模型比较适合神府煤的加压热解机制,低温段活化能随热解压力增大先增大后减小,但明显高于高温段热解活化能.     

基于常压TGA的煤焦-CO2加压反应动力学数据求解

采用NETZSCHSTA449F3同步热分析仪进行煤焦－CO2反应热重实验,气体总压保持0．1MPa,CO2分压分别为0．017MPa、0．042MPa、0．058MPa、0．100MPa,通过n级速率方程和Langmuir—Hinshelwood（LH）速率方程拟合实验结果,合理推导至加压工况,获得加压情况下的反应动力学参数,并利用拟合公式进行较大温度和气体分压范围内任意工况下不同煤种的煤焦－CO2气化反应活性比较。LH速率方程可更精确地描述CO2分压的影响。CO2分压对反应速度的影响程度随分压的升高而降低,温度对煤焦－CO2气化反应活性的影响程度大于CO2分压。煤种的化学反应活性在不同的温度和CO2分压下强弱次序不完全一致,不能采用某一特定工况下的结果统一概括。     

压力及温度对煤焦结构特性影响的实验研究

煤颗粒进入加压气化炉中,首先经历快速热解形成煤焦,煤焦的结构特性与温度及压力密切相关,有必要对其进行系统深入的研究。采用加压沉降炉在不同终温、压力下制得柳沟烟煤煤焦样品,通过激光粒度分析仪、扫描电镜、比表面积仪和压汞仪等测试手段对所得焦样进行结构特性分析,并依据胶质体理论和挥发分气泡行为进行解释。结果表明,对于柳沟烟煤煤焦,常压条件下终温从1 000℃变化到1 400℃时,挥发分气泡聚并的现象减少进而形成量多而小的孔结构,氮吸附比表面积总体上升,孔隙率有所上升,膨胀率基本不变;终温1100℃条件下,表压从0 MPa变化到1.7 MPa时,挥发分气泡聚并的现象增多进而形成量少而大的孔结构,煤焦的氮吸附比表面积总体减小,孔隙率逐渐增大,膨胀率先增大后缓慢减小,在1.0 MPa时的膨胀率最大。     

秸秆类生物质加压气化特性研究

采用热重分析与气相色谱分析(TG-GC)相结合的方法,开展了水蒸气气氛下生物质(麦秸)加压气化特性研究,探讨压力对反应动力学特性与气化产物的影响。实验结果表明生物质常压气化与加压气化特性有显著差异;加压条件下,麦秸的气化反应过程受化学反应动力学和扩散作用控制。麦秸水蒸气气氛下的热解阶段可视为一级反应,半焦气化阶段视为缩核反应;加压下热解、气化的表观活化能和频率因子均随反应压力的提高而增加。水蒸气对生物质热解气化具有活化作用,相比N2气下麦秸的表观活化能降低。此外,生物质水蒸气气化产物中H2浓度最大,达到50%以上,表明水蒸气是生物质气化制氢适宜的气化介质;随着气化压力的提高,CO2和CH4浓度增加,而CO浓度降低。     

多种原煤焦的CO_2气化特性研究

研究煤气化对煤炭资源高效洁净利用、防治大气污染方面有重要意义。为了研究煤焦粒径、CO2流量、煤焦质量、热解温度、热解恒温时间、气化温度对3种原煤焦气化反应的影响,在自行搭建的热重分析仪上进行煤焦气化实验。研究结果表明,当煤焦粒径≤70μm,CO2流量为600 mL/min,煤焦质量为0.1 g时,可以消除内外扩散对气化反应的影响。热解温度和热解恒温时间对准东煤焦的气化反应影响比较明显,对贵州煤焦影响则较小,浑源煤存在最佳热解恒温时间。研究结果通过大量实验数据得出,对工程实际应用有一定指导意义。     

煤焦与水蒸气的气化实验及表观反应动力学分析

在Thermax500型热重分析仪上对褐煤煤焦与水蒸气的气化反应进行了实验研究，并采用n级速率方程和Langmuir-Hinshelwood(L-H)速率方程考察了反应气体分压的影响。实验系统压力为0.1和0.6MPa，其中0.1MPa下水蒸气浓度分别为5%，10%和20%，0.6MPa下的水蒸气浓度为20%。气化反应在恒温条件下进行，温度分别为850、875、 900、925、950和1 000 ℃。实验发现，反应速率随温度和压力的增大而加快，900 ℃以下为化学反应控制区，不同压力下的表观活化能数值接近，而900 ℃以上由于受到扩散阻力的作用，表观活化能不同程度降低。采用n级速率方程计算得到褐煤煤焦与水蒸气的反应级数n为0.34，活化能E为153.7 kJ×mol-1，采用L-H方程得到活化能为207.1 kJ×mol-1，其速率方程可更精确地描述水蒸气压力的影响。     

煤直接制氢实验研究

构建了煤直接制氢定压实验系统，实现了高压系统内固体反应物料和水蒸气的连续供给和富氢气体产物的连续生产。以忻州烟煤为原料，在压力为3MPa和钙碳摩尔比为1.0的条件下对不同的温度等级(600、650、700和800℃)以及在3MPa压力和650℃温度条件下对不同钙碳摩尔比(0.6、1.0和1.5)进行了实验研究。实验结果表明实验压力下650℃以上的反应温度和1.0的钙碳摩尔比具有很好的制氢效果。典型工况下气态产物中氢占77.2%，甲烷占19.0%，二氧化碳及一氧化碳含量很少，均在1%左右。     

煤焦CO2气化反应中石灰石催化特性研究

研究了新鲜石灰石和经过煅烧/碳酸化反应(CCR)反复循环后的石灰石在烟煤煤焦CO2气化反应中的催化特性.结果表明,固定碳转化率随新鲜石灰石添加比例的增加而增大,石灰石添加比例为5％时其催化特性达到最佳,且催化活性随气化温度的升高而降低;在不同热解温度下添加2.5％新鲜石灰石制得的煤焦的气化特性与气化温度密切相关,当气化温度高于热解温度时,催化活性基本不受热解温度影响;随着CCR循环次数的增加,低温气化时石灰石催化活性比新鲜石灰石略低,但仍可作为煤焦气化反应的有效催化剂.     

水分对城市生活垃圾热解气化特性影响的试验研究

利用自行设计的大物料量等温热重实验装置及气体产物在线分析装置,就气化反应温度段600～800℃的范围内,水分对城市生活垃圾热解气化特性影响进行了实验研究。通过对比有无水蒸气工况下的实验结果,分析了水蒸气对垃圾热解气化各反应段的影响,着重研究了产气量、产气成分及产气热值在不同温度下受水蒸气影响的变化规律。结果显示,水蒸气对垃圾热解气化失重过程的影响十分微弱,而对气态产物的重整和二次裂解的影响比较明显,温度越高影响越剧烈。尤其是800℃时,水蒸气的存在使得产气量大幅提高,可燃气成分如CO、CH4及H2的含量增大,产气热值增加。     

热解过程中棕榈壳焦的物化结构演变特性

该文主要对生物质热解过程中焦炭物化结构的演变特性与转化机理进行分析研究。在固定床反应器上,以棕榈壳为样品,热解终温从300~1 000 ℃下制得焦炭,采用比表面积和孔径分析仪与傅里叶红外光谱仪等用对不同温度下所得焦炭的物化结构进行深入分析。研究发现煤焦的表面孔隙结构的形成和丰富主要集中在400~600 ℃,随着碳化温度的升高,孔面积先增大后减小,在约600 ℃有较高的比表面积;棕榈壳焦内的有机官能团(C＝O,C-C,C-H,C-O 和 OH等)的断裂和缩合也主要发生在中低温度段,同时固体焦内,碳的含量逐渐增加,而氢元素的含量逐渐减少。     

神府煤焦与CO2的气化反应动力学分析

利用加压热天平在1 173~1 323 K、0.1~3 MPa范围内,对神府煤焦与CO2的气化反应进行动力学分析。考察温度、压力对神府煤焦与CO2气化反应动力学特性的影响及气化反应速率和反应时间之间的关系,发现气化反应速率随反应时间的变化近似呈正态分布,建立了气化反应速率与反应时间的正态分布动力学模型。与随机孔模型对比,发现正态分布时间模型能较好地描述煤焦的气化动力学规律。由正态分布模型求得的反应速率常数r0、rm遵循Arrenius定律,lnr0、lnrm对1/T呈良好的线性关系;在0.1~3 MPa范围,求得的反应活化能为150~185 kJ/mol,与相关文献报道的结果基本一致。