热解条件对淮南煤焦孔隙结构的影响

用N2等温吸附(77 K)法考察了热解条件对淮南煤焦孔隙结构的影响.测量了淮南原煤、淮南快焦和淮南慢焦的BET比表面积,并由BJH模型计算得到了孔容积、平均孔径及孔径分布.结果表明,快速热解和慢速热解都可以使煤孔隙结构发达,加速孔的生成和发展,且热解温度越高,趋势越明显,但慢速热解对煤焦孔隙结构的影响更加显著.应用分形维数的概念,结合吸附/脱附曲线得到了煤焦的分形维数,结果表明快速热解和慢速热解都可以增加煤焦的分形维数.     

混煤热解过程中的表面形态

以管式电炉为热解室,改变热解终温,在惰性气氛下对无烟煤与烟煤的混煤进行快速加热条件下的热解。采用低温氮气吸附方法研究混煤焦表面形态的变化规律。通过对吸附等温线的分析,表明煤焦具有连续、完整的孔隙结构,无定形孔的存在使得吸附迴线存在不闭合的状态。随着热解终温的升高,混煤焦的比表面积先增加后减小;随着烟煤掺混比例的增加,混煤焦的微孔容积和表面积也先增加后减小,A1B2混煤焦具有最大微孔容积和表面积。对煤焦孔隙的分形研究发现煤焦孔隙分形维数与微孔结构关系密切。混煤焦表面形态的变化规律体现了混煤热解的独立性以及相互作用。     

淮南煤焦颗粒内部孔隙结构在燃烧过程中的变化

用氮气等温吸附/脱附（77 K）方法测量了淮南低变质煤及其在850℃条件下燃烧得到半焦的内部孔隙结构.通过分析得到有关煤焦颗粒内部孔隙结构的参数及其与燃尽率之间的关系.由吸附/脱附曲线判断煤焦孔洞的形状呈多样性.结合吸附理论,认为分形BET和分形Freundlich方程回归得到的分形维数分别表征颗粒内部大中孔表面分形维数和微孔体积分形维数.发现在燃烧过程中煤焦的表面分形维数及体积分形维数具有不同的变化趋势.     

热解条件对煤焦结构及气化反应活性的影响

在不同热解条件下制得5种煤焦,考察了热解温度、升温速率对煤焦结构性质及CO2气化反应活性的影响.其中4组煤焦由神木煤和华亭煤在1 100℃和1 500℃常压沉降炉中快速热解制得,还有1组煤焦在固定床中以10℃/min加热到900℃,并停留30 min得到.慢速热解煤焦孔隙结构不发达,BET比表面积仅为1.58 m2/g,而快速热解煤焦存在大量的微孔和中孔结构,得到的比表面积要大得多,但随热解温度的增大而减小.煤焦与CO2在0.1 MPa和3.1 MPa系统压力下的反应速率均随热解终温的升高而减小,但与慢速热解煤焦的结构性质无法直接关联.热解温度对煤焦炭微观结构及矿物质催化性能的影响导致了反应活性的下降.     

生物质炭孔隙分形特征研究

基于生物质炭孔隙结构压汞法测量结果,采用Menger海绵模型和基于热力学关系模型两种分形模型,对稻壳、法国梧桐树叶、玉米秆、棉花秆种生物质炭的分形维数进行了计算.结果表明基于热力学关系模型比较恰当地反映了生物质炭样的孔隙结构.生物质炭具有较大的分形维数即不规则性,并与生物质种类有关.在种生物质中,树叶炭的分形维最大,玉米秆炭的分形维最小.制炭时的热解温度、热解速率和热解时间等对生物质炭的分形维数均有影响,其中热解温度的影响最大,但它们的影响与生物质的塑性有关.     

Al_2O_3陶瓷粉末注射脱脂生坯分形结构表征

采用分形理论建立PIM脱脂生坯的孔隙分形维数、孔隙面积分形维数和迂曲分形维数,再通过实验研究有效热导率与孔隙率的影响关系,进而揭示Al_2O_3脱脂生坯的微观分形结构特征。研究结果表明:PIM生坯孔隙分形维数越大,孔隙越复杂,其孔隙率越大;有效热导率随着孔隙率的增加而减小;而在相同孔隙率下,有效热导率随着面积分形维数的增大而增大,随着迂曲分形维数的增大而减小。     

热解温度对生物质和煤成焦特性的影响

以麦秆、橡树木屑和华亭烟煤为原料,研究热解产物的理化特性并讨论燃料种类和热解温度对其的影响.采用BET、SEM-EDS、XRD和TGA对其进行分析表征.结果表明:在600~1 000 ℃的温度范围内,煤焦的比表面积和孔隙容积随热解温度增加而增大,而木屑焦的变化不明显,麦秆焦在800 ℃时比表面积和孔隙容积最大,更高温度则发生烧结;焦样中C元素含量随热解温度升高而增加,而H元素和O元素随之降低,麦秆焦的着火特性优于木屑焦和煤焦.木屑焦和煤焦的着火特性随热解温度升高而变差,而麦秆焦在800 ℃具有最佳的着火特性.     

不同秸秆生物炭的孔隙结构及其差异

基于低温氮气吸附的研究方法,对水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆制备的生物炭进行了孔结构研究,用BET方程、BJH方程和t-plot方法分别计算得到生物炭的比表面积、孔径分布和微孔数据,利用FHH模型计算了孔隙分形维数。研究表明：不同温度不同材料都对生物炭的孔结构有较大影响,随着热解温度的升高水稻秸秆生物炭和小麦秸秆生物炭的BET比表面积和总孔容呈先增加后降低的趋势,而玉米秸秆生物炭的孔隙度随着热解温度升高持续增加;3种秸秆生物炭的孔径分布均以中孔为主,孔隙内部以Ⅱ型孔为主;水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆制备的生物炭都具有很好的分形特征,分形维数(D)分别为2.545 4~2.669 3、2.629 7~2.689 5、2.577 3~2.597 2,表明这3种生物炭孔隙结构比较复杂,非均质性强,其中水稻秸秆生物炭和小麦秸秆生物炭均在500 ℃条件下有较高的分形维数,分别是2.669 3和2.597 2,玉米秸秆生物炭则在700 ℃条件下有较高的分形维数,为2.689 5。     

生物质颗粒孔隙结构在热解过程中的变化

利用氮气等温吸附/脱附法（-196℃）和扫描电镜（SEM）等研究了热解过程中生物质颗粒孔隙结构的演化规律,并用分形维数来描述焦颗粒内部孔隙表面形态的复杂程度。结果表明,热解温度对生物质焦的孔结构和表面形态有显著影响。热解过程中孔网络结构在发生演变,孔的形状发生了一定变化,且孔径有先变小后变大的趋势。高温导致焦颗粒发生塑性变形,使得孔隙扩大和孔表面更加光滑。随着温度的升高,生物质焦的BET比表面积先增大后减小,500℃以前,孔容积的变化规律与比表面积相近。通过分形FHH方程回归得到的分形维数能较好地表征颗粒内部孔隙表面的分形特征。其分形特征与热解温度密切相关,分形维数的变化与BET比表面积有一定关联。     

快速热解温度下的淮南煤焦与水蒸汽气化反应的研究

考察了淮南煤在不同温度下快速热解制得的煤焦与水蒸汽的气化反应,研究发现煤焦的气化反应速率不仅与转化率有关也与气化反应时间有关,对不同热解温度煤焦在x = 0.2、t =2 min附近时,化学反应速率存在极值或转折点(Q),即反应速率开始急剧减少的点.用未反应芯缩核模型和随机孔模型对实验数据拟合,结果表明随机孔模型对实验数据的拟合更为准确,并将拟合得到的结构参数ψ与煤焦气化反应活性之间的关系进行分析,发现同一种煤焦ψ相近,但ψ与煤焦的气化反应活性不存在必然的联系.用SEM和XRD考察了不同热解终温下的煤焦表面孔隙结构与微晶结构的变化及其对煤焦气化反应活性的影响,不同热解温度下制得的煤焦,其形态结构存在很大的差异,热解温度越高,煤焦表面壳状凸起越多,化学反应性降低.此外,随着热解温度的升高,煤焦的微晶结构趋于石墨化,化学稳定性增强.     

Modeling changes of fractal pore structures in coal pyrolysis

Coal pyrolysis processes are numerically investigated in mathematically produced coal pore models which simulate real coal pores in the parameters of the porosity and fractal dimension. The simulations include FG-DVC chemical reaction model, gas molecular diffusion in pores, energy conservation model and coal swelling model. Numerical results are verified by experimental results qualitatively, and they revealed that both the porosity and volatile contents of the parent coal can affect the fractal dimension of the final char pores after pyrolysis linearly. A formula to predict the fractal dimension of char pores from its parent coal properties is obtained by curve fitting in numerous results.     

煤热解特性研究

对大雁、协庄和昔阳3个不同煤化程度的煤样，在N2，CO2和水蒸气3种不同气氛及不同温度下进行了热解研究，考察了煤化程度、热解气氛和热解温度对煤热解产物产率和热解气性质的影响规律．研究表明，对上述3个煤样，随煤化程度加深，焦产率增加，油和气产率一般随煤中挥发分增加而增加，但又与煤的大分子结构、热解温度和加热速率等有密切关系；干馏气组成H2和CH4含量协庄煤样最高，而(CO CO2)含量因煤中氧含量的降低而下降．与N2气氛相比，CO2和水蒸气气氛中半焦产率下降，气产率增加；油产率水蒸气气氛下最高．H2组分含量在水蒸气气氛下最高，而CO，CH4和烃类C2～C5组分则最低．LHV在N2，CO2和水蒸气气氛下逐次降低．     

低阶煤热解多联产与混合发电系统

中国煤资源中80%以上属于中高挥发分的低阶煤. 将煤炭进行热解分级,液体产物可转化为化学品和燃料油,气体产物可作为燃气或转化为天然气使用,固体半焦是洁净的固体燃料. 中国科学院过程工程研究所自1999年开始对煤热解分级高效利用技术的基础理论、工艺和设备放大等方面进行了系统研究,并在廊坊中试基地建立了煤处理量为10 t/d的煤热解燃烧中试平台. 采用该实验装置对多种低阶煤进行热解,结果表明,在燃用半焦的同时焦油产率为煤干重的6%?10%,热解煤气产率为煤干重的8%?12%. 介绍了过程所煤热解分级混合发电系统,并对该系统在燃煤发电厂的应用进行了技术经济分析.     

升温速率及热解温度对煤热解过程的影响

为了研究煤热解过程中升温速率及热解温度对热解产物分布及热解过程吸热量的影响,采用热重和热红联用技术对煤热解过程进行了分析.研究了不同升温速率和热解温度对煤热解过程的气态产物分布的影响,并对所产生的焦炭性质进行了分析.结果表明:煤的整个热解过程的吸热量随升温速率的增加而减小;煤热解产生的焦油组分含量包括芳香族、脂环族和脂肪族含量达到最大值所对应的热解温度随升温速率的增加产生滞后现象,但是煤热解产生的煤气成分随着升温速率增加而急剧释放;随着热解温度的升高,焦炭结构逐渐致密,裂纹及裂缝产生,芳香晶核增大,同时焦炭中的氧和氮含量由于含氮和含氧化合物的继续分解而降低.     

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。     

Comparison of fractal properties of porous structures during coal devolatilization

This paper investigates fractal property changes of pore structures during coal devolatilization. Similar to char pores, coal pores can also be classified as micro pores and macro pores based on their fractal dimensions. The specific surface area and fractal dimension of micro pores in coal particles are basically unchanged after devolatilization. However, the specific surface area and fractal dimension of macro pores, which are key factors in char combustion, are increased after devolatilization. In fact, the fractal dimensions are basically doubled. These parameters will affect another fractal geometrical factor β in char pores that is correlated to char combustion rate. Since the rate of char combustion can be predicted from their fractal pore properties, it may be possible to predict char combustion directly from the properties of their parent coal pores in the future. This work was presented at the 6 ^th Korea-China Workshop on Clean Energy Technology held at Busan, Korea, July 4–7, 2006.     

Rapid pyrolysis of Canadian coals in a miniature spouted bed reactor

A 25 mm diameter bench scale pyrolyser unit was constructed to study atmospheric pressure rapid pyrolysis of coal. Coals with particle size below 250 microns were injected continuously into a bed of sand spouted with nitrogen. Gas, liquid and char yields were determined as functions of temperature, coal feed rate and particle size. Gas compositions, tar yield and solvent fractionation results, and char proximate analyses are presented for six coals as functions of the pyrolysis temperature. Pyrolysis liquids from low rank coals contained significant amounts of water and were high in hexane solubles. Hexane and benzene soluble fractions are dependent on coal type and pyrolysis conditions.     

Fractal characteristic of three Chinese coals

Experimental and theoretical investigation about coal/char structure is presented. Surface structures of parent coal and char with different burn-off ratios were analyzed. We introduced the fractal theory into Scanning Electron Microscopy image analysis and utilize the particle surface fractal dimension (D_ps) to quantitatively describe the surface character of coal/char particles. D_ps of three Chinese coals reach their maximum in the 35-45 wt% char burn-off interval and then decrease with increasing carbon burn-off ratio. The inner-pore information of coal/char particles was determined by N₂ isotherm adsorption/desorption. Using fractal BET model, internal surface fractal dimension (D_s) of coal/char particles was calculated. The D_s change trend of three Chinese coals is similar to their S_BET development. It means the D_s can quantitatively describe the inner pore structure character of coal/char particles.     

Study on the structure and pyrolysis characteristics of Chinese western coals

The structure and pyrolysis characteristics of three inertinite-rich Chinese western coals were researched and compared with one relative vitrinite-rich Chinese middle coal by means of XRD, TG-DTG and fixed-bed reactor. The results show that the atomic ratio O/C, aromaticity factor, even ring condensation number and ring condensation index increase and atomic ratio H/C decreases with increasing inertinite content in coal; inertinite contains more aromatic ring structure than that of vitrinite; the crystallite structure order of coal char increases slightly with increasing heat treatment temperature. The higher inertinite content in coal is, the lower pyrolysis reactivity of coal is at lower temperature, and yet they have obvious second pyrolysis reactivity in higher temperature. The pyrolysis reaction in primarily devolatilisation phase that comes mainly from the decomposition of containing hydrogen function groups and the secondary devolatilisation at high temperature is mainly the decomposition of stable containing oxygen function groups in coal matrix with higher inertinite.