吐哈盆地褐煤的热解和燃烧特性及动力学分析

吐哈盆地褐煤的热解和燃烧特性研究利于煤的清洁高效利用及煤炭地下气化的开展,为探究吐哈盆地褐煤煤粉颗粒的热解特性和燃烧特性及动力学特性,通过热重实验、热解特征指数计算、综合燃烧指数计算及动力学软件Kinetics Neo模型拟合法,研究了煤粉在不同升温速率(5℃/min, 10℃/min, 20℃/min)和不同粒径(大于0.8 mm, 0.2 mm～0.6 mm,小于0.1 mm)下分别在氮气气氛中的热解特性和空气气氛中的燃烧特性,获得了不同条件下煤粉颗粒热解和燃烧过程的动力学参数。结果表明：升温速率升高有利于煤粉颗粒热解和燃烧,显著提升了热解和燃烧性能;煤粉颗粒粒径增大有利于煤粉热解,不利于煤粉燃烧;不同粒径煤样热解和燃烧焦产率没有明显区别,粒径增加对于挥发分释放的影响不大;热解与燃烧过程中活化能与指前因子分别在一次热解阶段和干燥挥发阶段较高,说明在这两个阶段反应速率较慢,单位时间内化学反应程度较高。     

粒度对煤粒燃烧和热解影响的理论分析

在化学热力学和动力学理论中引入表面项,并由此来分析和讨论粒度对煤颗粒燃烧和热解反应的影响规律.研究结果表明,煤颗粒的粒度对其燃烧和热解反应的热力学性质和动力学参数有明显的影响,粒度越小,影响越大;减小煤颗粒的粒径,化学反应的吉布斯函数差减小,煤颗粒燃烧和热解的趋势增大,使着火温度和热解温度降低,自燃容易发生;并且减小煤颗粒的粒径,其摩尔表面能增大,导致其燃烧和热解的表观活化能降低和速率常数增大,使煤颗粒的燃烧和热解速率加快,使转化率、燃尽度和热解度增加.     

低阶煤热解条件对高炉喷吹半焦燃烧性能及动力学特性的影响

采用热重分析法研究了不同热解条件下半焦的燃烧性能和动力学特征,利用Ozawa法求取动力学参数。结果表明,热解温度越低、保温时间越短时,半焦的燃烧性能越好;热解升温速率对半焦燃烧过程的反应程度影响不大;粒度越大,燃烧性能差异性越明显。热解温度对半焦燃烧性能影响较大,550℃是本研究中制备高燃烧反应性半焦的适宜热解温度。两种不同粒度原煤制得的半焦均随转化率增大,活化能减小。1~3 mm原煤在热解温度为550℃时所得半焦在燃烧过程中符合反应级数模型,化学反应为限制性环节,反应最概然机理函数为f(α)=(1–α)2。     

典型尺寸燃煤颗粒富氧燃烧特性及燃烧本征动力学研究

利用微型流化床加热速度快、温度分布均匀以及气体近平推流等优势,在直径20 mm自动控温的微型流化床反应分析仪中研究了粒度分布为1.7～3.35 mm和0.12～0.23 mm两种典型尺寸燃煤颗粒在790～900℃温度范围内的富氧燃烧行为。通过快速响应过程质谱对燃烧产生的烟气进行实时监测,成功地识别和记录了粗颗粒燃烧过程中经历的挥发分燃烧和原位新生半焦燃烧两个主要阶段。挥发分析出速度最快,然后快速燃烧,而半焦燃烧速度较慢。相比之下,细颗粒燃烧的这两个阶段具有几乎相同的速率,因而相互耦合而难以区分。根据实验结果,挥发分析出和燃烧为快速反应,煤颗粒燃烧过程速率受原位新生半焦燃烧过程控制。进一步研究了挥发分和原位新生半焦燃烧动力学行为,获得其本征动力学的活化能分别为107.2和143.9 kJ/mol。     

大颗粒煤燃烧传递动力学破碎理论模型

研究了大颗粒煤燃烧中的颗粒破碎现象，理论分析了大颗粒煤的着火过程和颗粒破碎过程，建立了大颗粒煤燃烧传递动力学破碎模型，对褐煤、烟煤和无烟煤三个典型煤种进行了燃烧初期数值模拟，指出了大颗粒煤燃烧时着火和颗粒破碎的内在联系。     

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。     

低阶煤低温热解半焦在模拟高炉喷吹条件下的燃烧性能

采用自制固定床热解装置在隔绝空气的条件下制备神木长焰煤热解终温分别为400℃、450℃、500℃及550℃的热解半焦,利用管式沉降炉模拟高炉喷吹条件研究神木长焰煤低温热解半焦的燃烧性能,并考察了热解终温、半焦喷吹粒径以及燃烧反应温度对半焦燃烧性能的影响。研究表明：低温热解半焦的燃烧性能优于实验所选用无烟煤的燃烧性能,半焦的燃烧性能与其燃料比之间存在负相关关系,即燃料比越高,燃烧性能越差;降低热解终温、减小半焦喷吹粒径以及提高燃烧反应温度均能改善半焦的燃烧性能,当热解终温为400℃、喷吹粒径100～200目、燃烧反应温度为1100℃时半焦的燃尽度最佳为96%。本实验半焦制备及燃烧条件与现有低温热解和高炉喷吹工艺相符,且热解半焦各项性能均符合喷吹用煤指标。     

生物质与煤共燃研究(Ⅱ)燃烧性质分析

对低温热解生物质和煤共燃的燃烧性质进行了研究。在热解温度300℃，热解时间30min下对三种生物质（锯屑、谷壳和花生壳）的热解产品、长焰煤、无烟煤、热解锯屑和长焰煤混样（1：10）、热解锯屑和无烟煤混样（1：10）七个样品的燃烧热重分析发现：热解生物质的燃烧性能相近，组成结构相似，主要分为挥发分释放燃烧阶段和焦炭燃烧阶段，分别位于30℃－400℃和400℃－500℃之间，其出现分别较煤的温度低；长焰煤与热解锯屑混燃可以有效地降低着火温度，而热解锯屑与无烟煤混燃时，由于燃烧性质差异较大，是分别燃烧，不产生协同效果；热解锯屑与长焰煤、无烟煤共燃能够有效地提高煤的着火性能，在总体燃烧性能上，虽然热解锯屑明显好于长焰煤和无烟煤，但混合后对其改变不大。     

煤燃烧过程分析与建模及其应用于Texaco气化炉模拟研究

以煤燃烧过程分析研究为基础,将煤燃烧过程分解为煤干燥过程、煤热解过程、燃烧过程和气渣分离过程,详细分析各过程的机理并建立相应数学模型,重点开展对常规分离器模型的优化。将该煤燃烧过程模型应用于Texaco气化炉,通过对该过程进行编程求解,计算所得的模拟值与文献值吻合较好,证明所建立的煤燃烧过程模型准确合理,为煤燃烧过程的工艺流程的数值模拟研究奠定了基础,可用于气体组成、除尘、脱硫等不同工艺过程的数值模拟研究。在此模型的基础上,进一步分析了在一定物流参数下不同温度对Texaco气化炉煤燃烧生成合成气组成的影响。     

热解条件对煤膨胀和球形度的影响

针对粉煤密相输运床气化技术,使用滴管炉对云南褐煤(YN)、山东次烟煤(SD)和内蒙烟煤(NM)进行快速升温热解实验,应用数字成像颗粒分析仪同时获得颗粒粒径和球形度,研究了不同煤阶、粒径、温度、预烘干除水对煤焦形貌参数的影响.结果表明:随着煤阶提高,热解膨胀度和球形度均提高,1 273 K热解后YN褐煤因收缩和破碎,膨胀度为0.66;SD煤和NM煤的膨胀度均大于1;焦的球形度因热解软化,较原煤均略有提高;NM烟煤随着热解温度的提高,膨胀度降低,球形度先增加后减小;小粒径NM煤颗粒的膨胀度和球形度均更高.干燥NM煤的膨胀度显著高于含水原煤,且随温度升高,膨胀度提高,变化规律与含水原煤相反;球形度随温度变化规律相似,但却低于原煤,预烘干除水对NM煤焦形貌的影响显著.     

不连沟煤热解半焦燃烧特性研究

煤热解产生具有高利用价值的煤气和焦油,并伴随产生大量的热解半焦,燃烧是半焦的主要利用途径之一。本文采用非等温热重分析法研究了热解条件(热解温度和停留时间)、热解气氛和燃烧升温速率对热解半焦燃烧行为的影响,并利用Coats-Redfern积分法对半焦燃烧过程进行动力学计算。结果表明:热解温度对甲烷二氧化碳重整与煤热解耦合过程半焦的燃烧反应特性有重要影响。随热解温度升高,半焦燃烧反应性呈下降趋势,反应活化能逐渐增加,这与半焦中较低的挥发分成正相关。热解停留时间和热解气氛对半焦燃烧影响较小。与在氮气中热解半焦相比,加氢热解和耦合热解半焦表现出几乎相同的燃烧特征和反应活化能。燃烧升温速率显著影响半焦的燃烧特性,提高燃烧升温速率促使半焦燃烧反应在更高温度下进行。     

生物质颗粒度对燃烧特性影响

以稻壳为例考察了不同稻壳粒径对热解及燃烧特性、传热系数、焦炭燃烧的影响,利用TG/DTG6200热重差热分析仪对不同颗粒度稻壳粉做了热解实验,得到了不同的TG、DTG、DTA曲线.结果表明,稻壳颗粒度越小,其挥发分析出温度越低,析出时间越短,传热系数增大,升温速率增大,有利于燃烧,但过小的颗粒度同时增大了散热损失,当粒径低于临界尺度时,易出现熄火现象.焦炭燃烧过程受粒径大小的影响,粒径减小,燃烧反应速率加快,燃烧时间缩短,有利于燃烧.     

煤热解过程中氮元素迁移规律影响因素

由于散煤燃烧会造成严重的环境污染,尤其是其排放的氮氧化物对大气环境破坏严重,煤热解作为煤燃烧、气化的伴随过程,具有重要的研究意义,而探究煤中氮元素在热解过程中的迁移规律,了解氮氧化物前驱物的生成条件对后续含氮污染物的控制起到决定性作用,在实际的热解过程中,多种因素共同制约着含氮物相的迁移方向,通过煤阶、粒径、热解温度、矿物质种类这些影响因素,可以得到:煤阶越高,挥发分越不易析出,在一定程度上,高煤化度煤氮易留在焦中,中等煤化度煤氮则易于进入挥发分中,煤颗粒粒径越大,挥发分也同样不易析出,而热解温度则对挥发氮和焦氮形成均有促进作用,不同金属离子对含氮物相析出有不同的效果。     

阳泉烟煤颗粒在流化床燃烧过程中的破碎研究

在小型流化床燃烧实验台上研究阳泉煤颗粒在流化床燃烧过程中的破碎特性.实验中考虑了灰分对燃烧破碎过程的影响,引入指数α来反映破碎比的变化趋势,破碎比随着粒径的变大而变大,且向着床温变化相反的方向变化,表明颗粒的高温碰撞对破碎是起决定性作用的.常温机械破碎和固定床热应力破碎实验表明,单纯机械破碎和单纯热应力对颗粒破碎所起的作用不大,但在高温条件下的颗粒碰撞,机械力与热应力叠加后,破碎效果大大加强.     

热重法研究介休煤的热解与燃烧特性

采用热重(TG)分析仪对介休水峪煤样的热解及燃烧特性进行了研究,并考察了升温速率对煤的热解与燃烧特性的影响,得出了不同升温速率下的燃烧特性参数,如着火温度、燃烧最大速率、燃尽温度、燃烧特性指数等,并计算了不同升温速率下的反应动力学参数。经研究发现:煤在热解与燃烧区间的某一温度范围内能较好地满足一级反应方程,且线性相关系数都在0.98以上。由一级反应动力学模型得出的活化能与指前因子等数据能较好地验证煤的TG/DTG曲线所得出的一些结论。     

基于热解与燃烧反应重构的低NO x 解耦燃烧原理与技术

解耦燃烧原理最早于1995年被用于烟煤的低氮无烟燃烧,其通过分离燃料热解与半焦燃烧,打破两反应在传统燃烧方式中的耦合作用,并通过重构热解挥发分与半焦的燃烧反应,实现挥发分完全燃烧的同时有效还原燃烧生成的NO _x。基于此方法的燃烧技术在1997年被定义为“解耦燃烧”。本文围绕固体燃料解耦燃烧高效低氮化原理、燃烧过程反应重构原则和反应过程定向调控关键要素,综合总结近三十年在煤炭与生物质解耦燃烧基础研究、技术开发、民用及工业燃烧典型应用及其实现的燃烧强化效果等方面取得的主要进展。解耦燃烧耦合其他诸如燃料再燃、燃料或空气分级燃烧、流态重构燃烧等先进燃烧技术可以进一步提高燃烧效率,降低空气污染物排放。解耦燃烧技术特别适合高含水燃料,对创新低阶煤和有机废弃物等的高效低氮燃烧新技术具有重要的科学意义和应用价值。     

基于热解与燃烧反应重构的低NO x 解耦燃烧原理与技术

解耦燃烧原理最早于1995年被用于烟煤的低氮无烟燃烧,其通过分离燃料热解与半焦燃烧,打破两反应在传统燃烧方式中的耦合作用,并通过重构热解挥发分与半焦的燃烧反应,实现挥发分完全燃烧的同时有效还原燃烧生成的NO _x。基于此方法的燃烧技术在1997年被定义为“解耦燃烧”。本文围绕固体燃料解耦燃烧高效低氮化原理、燃烧过程反应重构原则和反应过程定向调控关键要素,综合总结近三十年在煤炭与生物质解耦燃烧基础研究、技术开发、民用及工业燃烧典型应用及其实现的燃烧强化效果等方面取得的主要进展。解耦燃烧耦合其他诸如燃料再燃、燃料或空气分级燃烧、流态重构燃烧等先进燃烧技术可以进一步提高燃烧效率,降低空气污染物排放。解耦燃烧技术特别适合高含水燃料,对创新低阶煤和有机废弃物等的高效低氮燃烧新技术具有重要的科学意义和应用价值。     

球型固体热载体煤粉热解过程传热计算及分析

为了优化球型固体热载体煤粉热解反应器和操作条件,建立了热载体球煤粉热解过程的传热模型。计算了不同热载体与煤质量比、热载体初始温度及煤粒径下的煤颗粒温度分布。结果表明:增加质量比、提高热载体的初始温度能够提高煤热解平衡温度,缩短达到平衡温度所需时间;减少煤粒径同样可以缩短达到热解平衡温度所需时间。在热载体初始温度973.15 K,煤初始温度373.15 K,热载体与煤质量比大于4时,煤热解温度才能高于732 K。     

民用洁净焦炭燃烧过程中温度和钙硫比对固硫率的影响

对民用洁净焦炭燃烧过程中影响固硫率的主要因素进行了实验研究。利用热重(TG)等表征手段,对原料煤的热解特性进行了分析,同时研究了添加钙基固硫剂后,温度及钙硫比对民用洁净焦炭燃烧过程中固硫率的影响。结果表明:高硫原煤在室温到1 150℃热解过程中,共出现了4个明显失重阶段,分别对应干燥脱气阶段、解聚与分解阶段、缩聚与裂解阶段及盐类高温分解阶段。洁净焦炭燃烧固硫率随着温度的增加呈下降趋势,随着钙硫摩尔比的增加呈上升趋势。当钙硫摩尔比为2.5、燃烧温度为1 050℃时,洁净焦炭燃烧固硫率可达95%以上。     

七台河地区低热值煤矸石理化特性及燃烧特性分析

采集七台河市勃利县的低热值煤矸石样品进行理化特征分析,并且利用热重法分析了该地区不同粒径低热值煤矸石的着火及燃尽特性。结果表明,该地区煤矸石矿物组成以石英为主,对水体环境危害较大的有害物质氟化铍含量相对较高。化学成分主要为Si O₂和Al₂O₃,含量占比分别约为49.78%～66.75%和13.53%～21.06%,Fe₂O₃含量约为1.91%～3.07%,含硫量约为0.10%～0.18%,属于铝硅型低硫煤矸石。该地区低热值煤矸石的燃烧分为三个阶段。1mm以下煤矸石样品均是较易稳定着火的。随着煤矸石粒径增大,燃烧结束时样品残留量增加,燃尽时间增加,着火温度逐渐升高,达到最大燃烧速率时的温度也随之升高,而最大燃烧速率有所下降。