生物质与油页岩混合热解特性研究

为了充分利用油页岩和生物质,以生物质和油页岩按照不同质量比的混合试样作为研究对象,采用TG-DSC联用技术进行了热重实验,分析了热解过程特性曲线并计算热解特性参数,采用差减微分法计算了热解动力学参数。结果表明:混合试样DTG曲线分别在低温段及高温段出现2个峰,前者主要是生物质的纤维素及半纤维素挥发分的热解析出,后者主要为油页岩热解析出挥发分;随混合试样中油页岩含量逐渐增多,热解后期逐渐出现因油页岩无机盐热分解吸热过多而出现DSC曲线吸热峰;混合试样低温段挥发分析出量及挥发分综合释放特性指数均大于高温段的值;生物质含量最高的混合试样(生物质与油页岩的质量比为4∶1)的挥发分初始析出温度最低,其挥发分最大释放速度的峰值及挥发分综合释放特性指数均最大;生物质含量较多的混合试样低温段活化能大于高温段活化能的值,油页岩含量较多的混合试样低温段活化能低于高温段的值。     

大庆油页岩热解特性及动力学研究

采用热分析方法对大庆油页岩热解特性进行研究,考察了升温速率和热解终温对油页岩热解特性的影响.结果表明,温度是影响热解的最主要因素,随着温度的升高,挥发分产率增大;随着升温速率的增大,油页岩的热解特征温度和最大热解速率都明显提高.根据热失重曲线建立了大庆油页岩热解动力学模型,采用傅立叶红外光谱分析对油页岩及热解半焦官能团变化情况进行分析,发现油页岩的主要官能团与煤接近;随着热解终温的升高,半焦含氧官能团的吸收峰逐渐减弱.     

油页岩颗粒的热解模型

以实验为依据,分析了油页岩的热解机理及特性,并充分考虑了油页岩中挥发分在整个热解过程的作用,在此基础上建立了与油页岩固有热解特性相适应的热解模型。在能量方程中考虑了油页岩挥发分的热解反应吸热量及其挥发分的释放对油页岩固体颗粒质量的影响,并根据油页岩的热解特性,采用分阶段模型来描述油页岩的热解过程,以减小一步本征动力学方程带来的较大误差,还对模型进行了实验验证。     

基于遗传算法-综合计算法的生物质热解气化优化分析

生物质热解气化可实现碳基可再生能源的高效清洁利用。为准确预测生物质热解气化产率分布,贴合生物质热解气化真实转化过程,由生物质热解气化实测数据通过遗传算法（genetic algorithm, GA）对综合计算法模型进行改进,按照综合计算法中热解段和固定碳气化反应段建立Aspen Plus模型。 结果表明：在GA-综合计算法中,稻壳在热解段CO₂的氧为干基氧含量的32.02%,焦油产率为挥发分的8.32%, 平均热解组分误差为8.53%,平均合成气组分误差为5.37%;基于GA-综合计算法的Aspen Plus模型,热解过程组分和气化段固定碳转化率由GA-综合计算法得出,实现了GA-综合计算法和流程模拟的复合, 其合成气模拟值与实验值接近,较好地反映生物质热解气化流程,为生物质热解气化产率分布及流程参数优化提供指导。     

煤热解动力学模型的建立

通过对煤热解反应动力学分析,基于分布活化能模型DAEM,建立了集总反应动力学模型表示煤炭热解过程。确定了可以预测热解产物组成、分布与热解终温和升温速率关系的动力学方程。结果表明：随热解温度升高,各种挥发分产物析出率越来越接近最大产率;半焦C含量增加,但产率下降,H,O,N和S等元素降低。升温有利于提高半焦脱硫率、脱氮率。温度为600℃左右时,除H2外的大部分挥发分基本析出,半焦元素变化幅度减小。热解终温较低且一定时,较慢的升温速率有利于各热解挥发分最大限度析出。秦丽娜     

油页岩热解特性及其甲烷释放规律研究

为研究油页岩热解特性及热解过程中甲烷的释放规律,采用热重-傅里叶变换红外光谱（TG-FTIR）对龙口（LK）、内蒙（NM）、汪清（WQ）三个地区的典型油页岩进行热解实验,并结合固相红外（FTIR）对油页岩的官能团结构进行分析。研究结果表明,油页岩热解过程可分为四个阶段,热解反应及挥发分释放主要发生在第二阶段（400～600℃）。甲烷的析出与油页岩结构中的脂肪烃（光谱范围3000～2800 cm^-1）密切相关,脂肪烃含量越多,热解过程中释放的甲烷越多。通过对甲烷析出曲线分峰拟合及结合动力学分析,得出甲烷的生成是由一个脱吸附过程和四个化学反应共同作用的结果。     

油页岩热解的FG-DVC模型

为研究油页岩结构与热解反应性之间的关系,在TG-FTIR分析仪上对甘肃油页岩在不同升温速率条件下(5、20、50℃·min-1)进行了热解实验研究,对CH4、CO、CO2、H2O和页岩油进行了定量分析,并采用非线性最小二乘拟合方法求解各组分析出的动力学参数,同时采用基于燃料化学结构的FG-DVC模型对各组分的析出过程进行了模拟。结果表明:油页岩的脱挥发分过程主要发生在200~600℃之间;油页岩中有机质所含官能团以脂肪烃为主;由于各官能团活性不同,导致气态产物的析出有先后顺序;由非线性最小二乘拟合方法获得的各种产物析出的活化能E分布在188~239 kJ·mol-1之间,而指前因子A在109~1013 s-1之间;各产物的FG-DVC模拟结果与实验数据较为相符,这说明用FG-DVC模型来描述甘肃油页岩的热解脱挥发分过程是比较合适的。     

五彩湾煤和吐鲁番煤热解动力学模型评估与应用

煤热解是煤热加工利用的基础反应,热解动力学模型有助于预测煤在热解过程中挥发分脱除规律,当前文献中已报道了多种热解动力学模型,厘清不同热解模型参数选择的差异,评估不同模型对煤种及热解反应适应性可为热解工艺设计提供参考。采用¹³C NMR核磁共振测量了五彩湾煤和吐鲁番煤的碳化学结构,并使用热重法测量了不同加热速率下的两种低阶煤失重曲线,结合分段式单一速率扫描法、等转化率法和3段式高斯分布活化能模型（3-DAEM）分析热重实验数据。结果表明单一速率扫描法得出的动力学参数难以准确揭示热解反应机理;等转化率法可以较好地得出热解活化能及指前因子分布图;将等转化率方法获得的指前因子赋值给分布活化能模型,可以避免分布活化能模型指前因子选择的盲目性;3-DAEM模型仅需要一条TGA曲线便可获得适用于整个加热速率的动力学参数,其预测结果与实验数据吻合最好,且模拟得出的活化能分布图很好地反映了煤热解三个阶段特征。     

油页岩热解特性及其甲烷释放规律研究

为研究油页岩热解特性及热解过程中甲烷的释放规律,采用热重-傅里叶变换红外光谱(TG-FTIR)对龙口(LK)、内蒙(NM)、汪清(WQ)三个地区的典型油页岩进行热解实验,并结合固相红外(FTIR)对油页岩的官能团结构进行分析。研究结果表明,油页岩热解过程可分为四个阶段,热解反应及挥发分释放主要发生在第二阶段(400~600℃)。甲烷的析出与油页岩结构中的脂肪烃(光谱范围3000~2800 cm-1)密切相关,脂肪烃含量越多,热解过程中释放的甲烷越多。通过对甲烷析出曲线分峰拟合及结合动力学分析,得出甲烷的生成是由一个脱吸附过程和四个化学反应共同作用的结果。     

褐煤与生物质共热解过程的协同效应

通过热重分析的方法对褐煤、生物质及褐煤生物质混合物的热解特性进行研究,以考察生物质与褐煤共热解过程中是否存在协同效应,结果表明:将褐煤与生物质按1∶1(质量比)的比例混合后,其初始热解温度及挥发分最大释放峰出现温度与生物质单独热解基本相同,热解终温与褐煤相比大幅度提前,混合物热解在各个阶段的失重率均大于其单独热解失重率的平均值.褐煤、生物质及其混合物的热解过程可以用一级和二级热解反应动力学模型描述,通过计算动力学参数,发现在整个主要热解过程中,混合物在各个温度段的E值均小于褐煤或生物质单独热解时的E值,热解反应更加容易进行.证明了生物质对褐煤的热解有促进作用,褐煤与生物质在共热解过程中存在协同效应.     

饱和水介质条件下油页岩热解动力学

利用高压釜反应装置,对柳树河油页岩进行了热压模拟实验研究,考察了饱和水介质条件下油页岩的热解动力学。利用不同温度下热解产物的实验数据,建立了以沥青为中间产物的连串一级反应的动力学模型,得到了相关的动力学参数,结果表明,油母质热解生成热沥青的活化能约为110 kJ·mol^-1,低于热沥青进一步分解生成页岩油的活化能（约为190 kJ·mol^-1）,说明油母质热解生成热沥青的反应更容易进行。根据实验数据和动力学结果,对油页岩的热解机理和水介质的影响进行了初步探讨。结果表明,在饱和水介质条件下,油页岩的热解温度比无水条件时降低了约120℃。     

共热解过程中煤与生物质相互作用的研究进展

煤炭与生物质共热解是实现煤炭高效清洁利用的重要途径之一。共热解可改善煤炭单独热解产生的污染问题和生物质单独利用时能源密度低、季节性供应不平衡的问题,不仅能提高煤炭转化效率,还能获得更高品质油品。本文从煤与生物质共热解的影响因素、研究方法和共热解过程中组分间相互作用等方面出发,对近期国内外煤与生物质共热解的研究进行综述。总结了生物质种类、热解工艺参数和热解反应器的类型对煤与生物质共热解过程的影响规律以及煤与生物质在共热解过程中的相互作用过程,即半焦与挥发分间的相互作用、挥发分间的相互作用、生物质中碱金属对共热解的催化作用,并针对如何进一步认识煤与生物质相互作用机理、提高共热解效率等问题和发展方向作了展望。     

压力条件对龙口油页岩热解特性的影响

采用法国Setaram公司Themys HP型高压热重仪对我国龙口油页岩进行不同压力条件下的热解实验,利用产物释放特性指数,并通过分布活化能模型DAEM对不同压力条件下的热解反应进行动力学分析。研究表明龙口油页岩的热解主要包括页岩的脱水阶段、有机质热解阶段以及碳酸盐及黏土矿物的分解阶段;压力的升高对于龙口油页岩的热解过程有明显的影响,改变热解产物的析出速率,产物释放特性指数能很好地表征龙口油页岩在压力改变的条件下热解过程中产物的析出特性,热解压力小范围的升高(5bar)有利于挥发分的析出,过高的压力不利于挥发分的快速析出。动力学分析表明,热解低温阶段反应所需活化能在压力升高的条件下呈现出先增大后减小的趋势,但明显高于高温段热解活化能。适当提高压力有利于热解反应的进行。     

油页岩热解的FG-DVC模型

为研究油页岩结构与热解反应性之间的关系,在TG-FTIR分析仪上对甘肃油页岩在不同升温速率条件下（5、20、50℃·min^-1）进行了热解实验研究,对CH₄、CO、CO₂、H₂O和页岩油进行了定量分析,并采用非线性最小二乘拟合方法求解各组分析出的动力学参数,同时采用基于燃料化学结构的FG-DVC模型对各组分的析出过程进行了模拟。结果表明：油页岩的脱挥发分过程主要发生在200～600℃之间;油页岩中有机质所含官能团以脂肪烃为主;由于各官能团活性不同,导致气态产物的析出有先后顺序;由非线性最小二乘拟合方法获得的各种产物析出的活化能E分布在188～239 kJ·mol^-1之间,而指前因子A在10⁹～10¹³ s^-1之间;各产物的FG-DVC模拟结果与实验数据较为相符,这说明用FG-DVC模型来描述甘肃油页岩的热解脱挥发分过程是比较合适的。     

基于不同三组分模型解析生物质热解过程

三组分模型（three pseudocomponent model）通常被用来表征生物质热解过程。传统三组分模型中单个模型的反应级数被限定为1或3。在本研究过程中，利用非线性最小二乘法，在不限定反应级数的前提下回归三组分模型动力学参数（活化能、指前因子、反应级数）。通过研究发现，纤维素（cellulose）分解反应级数接近1，与前人结果相一致。木质素（lignin）分解级数与生物质种类有关，接近于1或3。半纤维素（hemicellulose）的分解过程最复杂，其反应级数在1.5～4之间变化。以Ozawa方法计算得到的活化能作为相对标准，对3种三组分模型进行比较，发现反应级数未确定时的模型比其他两种模型更精确地表征生物质热解过程。     

基于CPD模型的低阶煤催化解聚过程模拟分析

低阶煤催化解聚过程定量分析和放大需要合理描述该过程的宏观动力学模型,使用化学渗透脱挥发分（CPD）模型结合陕西长焰煤的催化解聚实验,对低阶煤催化解聚过程进行了定量分析。综合对催化剂作用机理的认识,结合催化解聚实验结果确定相应表观动力学参数,所得模拟结果与实验结果趋势一致、吻合良好,其较好地体现了不同热解过程差异,低温下催化解聚产物释放量较少,温度升高后产物量才会高于原煤热解。模型中催化剂对焦油产率的影响体现在复合速率常数、交联反应活化能上,随两者增大,焦油产率均增加;Fe基催化剂有助于促进侧链断裂,提高气体产率,Zn基催化剂可抑制交联反应,但交联反应活化能较大时,受热解温度限制,焦油量增加变缓。     

抚顺油页岩/聚乙烯热解动力学机理研究

利用热重分析(TGA)技术研究了抚顺油页岩、聚乙烯(PE)及其混合的热解反应过程。结果表明:油页岩和PE混合物共热解过程中,共热解残渣量比油页岩单独热解减少了1.17%,对最大速率热解温度,共热解温度比油页岩单独热解温度低5℃。采用Coats-Redfern和Criado法对油页岩、PE及其混合物热解数据进行处理,从15种常用的固相反应机制函数中遴选出最优解,建立动力学模型。结果表明:油页岩的热解遵循表观一、二级化学反应模型(F1、F2);PE热解过程为扩散模型(D4);而其混合物的热解机理遵循动力学模型F1。混合物共热解活化能均远远小于油页岩或PE单独热解的活化能,共热解期间存在较大的协同效应。     

升温速率对油页岩热解特性的影响

采用热分析方法,在非等温条件下对茂名和桦甸的油页岩进行了热解试验研究。研究了从常温到900℃之间不同升温速率(10,20,40,50,100℃/m in)对油页岩热分解反应的影响以及油页岩的H/C,O/C,Cdaf,Vdaf等因素与(dw/dt)m ax之间的关系。根据试验数据建立了热解动力学模型,利用积分法求得表观活化能和频率因子等动力学参数。试验结果表明,油页岩热解可分为3个阶段,其中第2阶段(200—600℃)是热解反应最激烈的区域,挥发份几乎全部析出。而第3阶段是碳酸盐热解阶段,茂名油页岩由于碳酸盐含量低,此阶段变化甚微。     

50 MW循环流化床煤炭分级转化多联产技术开发

为了进一步推进煤炭热解分级转化多联产技术工业化应用,实现煤炭清洁高效资源化利用,通过试验研究和理论分析相结合的方法,利用1 MW流化床热解分级转化工业示范装置对煤炭热解分级转化产物的释放及其组分分布特性进行研究,分析了温度、煤种特性对挥发产物煤气产率、焦油产率、煤气组分、煤气热值等的影响,并对煤炭热解-燃烧双流化床协同耦合运行调控特性进行研究,最后以获得的1 MW流化床热解分级转化过程的相关产物转化特性参数及运行特性参数为基础,进行了50 MW循环流化床煤热解燃烧多联产工艺装置设计开发。结果表明,该装置煤气主要成分CH_4与H_2含量分别高达41.97%、28.32%,设计煤种条件下焦油产量3.16 t/h,煤气产量35 262 Nm~3/h,煤气热值达到26.7 MJ/Nm~3,焦油提取率达到90%以上,实现了较高的煤气热值与焦油回收率,为煤炭热解分级转化多联产技术工业化应用提供借鉴。     

气体热载体法煤热解动力学研究

采用热重分析和气体热载体实验考察了准东煤和神木煤的热解动力学特性,并根据热解动力学模型确定动力学参数。随热解温度的升高,反应停留时间对半焦收率及半焦挥发分的影响逐渐减小;煤热解活化能与反应停留时间、煤粒径大小均相关。研究结果对于煤热解工艺工业化具有参考意义。