二氧化炭气氛下贵州高灰熔融性半焦气化特性研究

高灰熔融性半焦在中低温度及二氧化炭(CO_2)气氛下的气化特性及动力学参数研究,可为探索其在固定床和流化床气化炉的利用提供基础数据支撑。采用常压热天平,研究了气化温度、CO_2含量及煤种对贵州典型高灰熔融性半焦与CO_2气化反应性的影响,采用混合反应模型对实验数据进行处理,求取动力学参数。结果表明:气化温度的提高可加快半焦的气化反应速率,明显缩短气化反应时间;提高气化剂中CO_2的含量,可提升半焦的反应性,但当CO_2含量大于50%后效果不明显;不同半焦的反应性差别较大,3种半焦的反应性顺序由高到低依次为:MJ1MJ3MJ2;同一CO_2含量下,贵州典型高灰熔融性半焦(MJ1)的反应性指数均随温度的升高而显著增大,同一温度下,CO_2浓度在30%～50%时其反应性指数基本随CO_2含量的增加而增大,CO_2浓度由50%增至60%时其反应性指数稍有降低;在气化温度1 123 K-1 373 K,贵州典型高灰熔融性半焦(MJ1)与CO_2反应的反应级数介于0.160 7～1.606 2,活化能介于262.76 k J/mol～283.58 kJ/mol。     

俄罗斯炼焦炼显微组分热解过程中气体的析出特征

决定炼焦煤性质的主要显微组分是镜质组和丝质组。因此，为更好了解炼焦煤炭化过程中的热化学反应，研究了4个镜质组富集试样和4个丝质组富集试样热解过程中气体产物的析出特征。这些显微组分富集试样取自煤化度（镜质组油浸平均最大反射率，R0）为0．80％－1．54％的俄罗斯炼焦煤。显微组分富集物通过离心力作用下的反复浮沉分离而得，其热重分析过程中析出的气体产物用气相色谱分析其中的CH4、H2、CO及CO2含量。气体产物中的主要组分是CH4、H2和CO，而CO2含量较低。对不同的显微组分富集物，通过绘制上述气体组分的析出速率与温度的关系曲线，来研究气体产物的析出特征。研究发现，各种镜质组富集物和丝质组富集物的CH4、H2和CO的析出量有明显差别。其中，镜质组富集物析出的气体产物中，CH4为29％－37％，H2为55％－65％，CO为6％－12％；丝质组富集物析出的气体产物中，CH4为19％－22％，H2为57％－70％，CO为11％－22％。文中还讨论了初次脱挥发分（260－550℃）和二次脱挥发分（550－850℃）过程中气体产物的析出行为。通过数学分析，确定影响气体产物数量与组成的关键因素和回归方程。本研究具有以下明显特点：（1）所用炼焦煤样的煤化度范围宽；（2）在5℃／min的升温速率下研究镜质组富集物和丝质组富集物的气体析出模型。该升温速率与实际生产中的3℃/min标准升温速率相近；（3）温度范围为从室温到900℃。该温度与高温炭化的1000℃终温也很接近；（4）研究了初次脱挥发分和二次脱挥发分过程中气体的析出行为。     

3种煤的气化反应动力学研究

采用热重分析仪,考察了3种典型煤种的气化反应特性;利用缩核芯模型,模拟了3种煤的气化过程,并对拟合结果进行了分析。结果表明:随气化温度的升高,3种煤的气化反应性均增加;3种煤的气化反应性大小次序为无烟煤<烟煤<褐煤;3种煤的气化反应活化能分别为褐煤124.9 k J/mol、烟煤154.3 k J/mol、无烟煤100.7 k J/mol;缩核芯模型适用于褐煤和烟煤的气化,但不适用于无烟煤。     

生物质半焦CO2气化反应活性的实验研究

采用热分析技术中进行了麦秆半焦的CO2气化反应性试验,考察了不同的热解及气化条件对生物质半焦气化特性的影响.结果表明：生物质裂解时升温速率、保温时间、温度以及半焦气化温度对半焦反应活性均有影响.当升温速率为15 ℃/min时,半焦的反应活性最好;随着生物质裂解温度的增大和保温时间的增加,所制备的半焦反应活性主要呈降低的趋势.随着气化温度的提高,气化反应活性增加.生物质半焦的结构有序性和碳微晶尺寸,以及炭的沉积化或乱层化是影响生物质半焦反应性的主要原因.     

神华煤及其液化残渣水蒸气气化动力学研究

为研究神华煤半焦和神华煤直接液化残渣半焦的水蒸气气化动力学过程,利用不同温度下神华煤半焦和残渣半焦水蒸气气化碳转化率曲线,采用均相反应模型（HM）和未反应缩芯模型（SCM）对神华煤和残渣的水蒸气气化动力学进行了模拟,得到煤半焦和残渣半焦均相反应模型和未反应缩芯模型的Arrhenius方程式。将模拟结果和试验数值进行比较,发现均相反应模型和未反应缩芯模型都能较好地模拟煤半焦和残渣半焦的水蒸气气化过程,且均相反应模型的模拟结果要好于未反应缩芯模型的模拟结果。     

俄罗斯炼焦煤显微组分热解过程中气体的析出特征

决定炼焦煤性质的主要显微组分是镜质组和丝质组.因此,为更好了解炼焦煤炭化过程中的热化学反应,研究了4个镜质组富集试样和4个丝质组富集试样热解过程中气体产物的析出特征.这些显微组分富集试样取自煤化度(镜质组油浸平均最大反射率,R0)为0.80%～1.54%的俄罗斯炼焦煤.显微组分富集物通过离心力作用下的反复浮沉分离而得,其热重分析过程中析出的气体产物用气相色谱分析其中的CH4、H2、CO及CO2含量.气体产物中的主要组分是CH4、H2和CO,而CO2含量较低.对不同的显微组分富集物,通过绘制上述气体组分的析出速率与温度的关系曲线,来研究气体产物的析出特征.研究发现,各种镜质组富集物和丝质组富集物的CH4、H2和CO的析出量有明显差别.其中,镜质组富集物析出的气体产物中,CH4为29%～37%,H2为55%～65%,CO为6%～12%;丝质组富集物析出的气体产物中,CH4为19%～22%,H2为57%～70%,CO为11%～22%.文中还讨论了初次脱挥发分(260～550℃)和二次脱挥发分(550～850℃)过程中气体产物的析出行为.通过数学分析,确定影响气体产物数量与组成的关键因素和回归方程.本研究具有以下明显特点:(1)所用炼焦煤样的煤化度范围宽;(2)在5℃/min的升温速率下研究镜质组富集物和丝质组富集物的气体析出模型.该升温速率与实际生产中的3℃/min标准升温速率相近;(3)温度范围为从室温到900℃.该温度与高温炭化的1 000℃终温也很接近;(4)研究了初次脱挥发分和二次脱挥发分过程中气体的析出行为.     

一种褐煤煤焦水蒸气和CO2气化活性的对比研究

面向循环流化床褐煤热解-部分气化-残炭燃烧分级转化工艺,以宁夏石沟驿褐煤为原料,采用水平管式炉在700～950 ℃,以快速热解和慢速热解方式制备煤焦,考察煤焦表面形貌和结构随制焦条件的变化。利用热分析技术研究气化温度、热解温度和热解速率对煤焦水蒸气和CO2气化反应活性的影响。结果表明：煤焦气化反应速率主要受气化温度影响,受热解温度的影响相对较小;煤焦分别与水蒸气和CO2气化的活性有较大差异,差异随着气化温度的升高而减小;与煤焦的水蒸气气化相比,热解条件对煤焦的CO2气化活性影响更大;煤焦水蒸气气化和CO2气化的反应性指数之间的关系可用二次曲线进行描述,在10%～80%碳转化率范围内分布活化能存在良好的线性关系。     

煤半焦和残渣半焦的CO_2气化过程的反应动力学研究

对神华煤半焦(CC)和神华煤直接液化残渣半焦(RC)在不同温度下和CO2反应进行了研究,结果显示,由于矿物质的催化作用,残渣半焦CO2气化反应性略强于煤半焦;利用不同温度下的实验结果,采用均相反应模型(HM)和未反应缩芯模型(SCM)对煤和残渣的CO2气化动力学进行了模拟,得到煤半焦和残渣半焦均相反应模型和未反应缩芯模型的Arrhenius方程式。把模拟结果和实验数值进行比较,结果发现均相反应模型和未反应缩芯模型都能较好地模拟煤半焦和残渣半焦的CO2气化过程;未反应缩芯模型的模拟结果要好于均相反应模型的模拟结果。     

胜利褐煤半焦显微结构及其燃烧反应性能

利用固定床反应装置对胜利褐煤在650 ℃进行热解,所得半焦在光学显微镜下分选出惰质组占73.40%的丝质相和腐殖组占98.67%的木质相两种显微结构相组分。利用热分析考察了两种显微结构的燃烧反应性能,分析了燃烧特征参数如起燃指数、燃烬指数等,并回归得到其动力学。研究表明,丝质相为多孔状,木质相为致密状,前者比表面积约为后者的21倍;丝质相的燃烧反应性显著高于木质相;均相和缩芯模型对两类煤焦燃烧反应过程都能进行准确描述,丝质相在起燃阶段的活化能显著低于木质相,是丝质相燃烧反应性高的内在原因。     

不同煤组成与分布差异传热特征及其机理

储层热诱导改造方法是提高煤层气单井产量的有效手段，其中不同煤组成与分布的传热差异性是煤储层热改造工程亟需解决的关键基础问题。以保德王家岭煤矿烟煤为对象，基于煤样宏观描述-显微镜-CT成像相结合的多尺度观测方法，精准识别并表征了显微组分空间分布特征。采用均匀平板加热-热成像采集实验系统表征了不同宏观煤岩类型样品动态传热过程，结合实验数据与热力学定律定量表征了显微组分热物性特征，揭示了显微组分组成与分布的差异传热机理。结果表明，传热过程中半亮煤温度呈双峰分布，暗淡煤呈单峰态，2者温度跨度均先减小后增大，半亮煤温度跨度显著宽于暗淡煤；镜煤+亮煤与暗煤+丝炭的占比越接近其温度差异越显著；根据温差演变特征将传热过程划分为快速升温、增速减缓、波动升温和动态平衡4个阶段。显微组分分布与温度展布对应关系显示，热传递受控于显微组成及其分布，矿物充填惰质组升温最快，形成高温区，惰质组一般形成次高温区，镜质组升温最慢呈低温态；此外，镜质组增温速率及平衡时温度与惰质组距离成反比。热物性定量分析显示，矿物充填惰质组具有较大的导热系数和热扩散系数，因而其传递热扰动的速度最快，达到热平衡用时最少，惰质组次之，镜质组...     

The use of X-ray computed tomography in the characterisation of coal and associated char reductants

High quality char, produced during the initial coal gasification process, is commonly utilised as a reductant during the smelting of chromite ores. The rate of the gasification reaction and gasification performance will depend on the relevant coal properties. These properties include organic and inorganic composition, coal porosity and pore size distribution, permeability, swelling index and intrinsic reactivity. Quantitative evaluation of these factors affecting the behaviour of coal during pyrolysis and the subsequent influence of those properties on the reactivity of the char product is of paramount significance to further our understanding of the natural differences inherent in coal. X-ray computed tomography allowed three-dimensional characterisation of pores, organic and inorganic constituents. Pyrolysis of coal resulted in increased pore volumes, and by extension, increased porosity. However, the percentage increase in porosity differs from sample to sample, which may be related to the volatile matter content of the coal. The widening and cleanup of pores during gasification result in a decrease in organic content. The organic phases will influence the behaviour of mineral matter during pyrolysis, since the former will fluidise and become devolatilised, while the mineral matter will not become fluid or volatilise, therefore the minerals will migrate and settle and, ultimately, form agglomerates. The lack of significant swelling in the TB1 sample may suggest that higher levels of inertinite were present in the sample, while increased amounts of swelling in the TB2 and TB3 samples may result from increased levels of vitrinite, with the TB3 sample possibly containing the largest percentage vitrinite. The proportion of porous chars will increase with increasing vitrinite content in the parent coal, and therefore, since the TB3 char is highly porous, the possibility that the TB3 sample contains a high proportion of vitrinite becomes highly probable. However, these results need to be verified by quantifying the maceral phases through petrographic analysis. Nevertheless, inherent differences in the nature of coal will result in differences in behaviour when subjected to gasification. Although X-ray computed tomography could be used to successfully identify and quantify various properties within a sample, some limitations still remain. Further work utilising complementary techniques is required to positively identify the remaining unknown phases as well as quantify the organic components.     

煤岩显微组成对甲烷吸附能力的影响研究

为分析煤岩显微组分对甲烷吸附作用的影响,对我国柴达木、鄂尔多斯和沁水等盆地的11个煤田49个煤样的煤质、煤岩显微组分和甲烷等温吸附关系进行了系统试验。结果表明：低、中煤阶煤的甲烷吸附能力随镜质组含量的增加而增加,而高煤阶煤的吸附能力则随之增加而降低。惰质组含量对煤吸附甲烷能力的影响较大,高煤阶煤的甲烷吸附能力随惰质组含量的增加而增加,而低、中煤阶煤的甲烷吸附能力则随之增加呈先增加后降低的趋势。低、中煤阶煤中的丝质体含量越低、半丝质体含量越高,煤的吸附能力越强。低煤阶煤吸附甲烷的能力与壳质组呈负相关关系。     

3种煤焦的CO2气化反应特性及动力学模型

为探索不同煤种的气化反应特性及其动力学,以神木煤、新疆准东煤和印尼加里曼丹岛煤3种煤质差异较大的低阶煤为原料,在水平管式炉上制备了3种煤样的900 ℃快速热解煤焦,并采用热重分析仪考察了3种煤焦的非等温和等温气化特性,用分布活化能模型和随机孔模型拟合了煤焦的CO2气化反应速率与碳转化率间的关系。研究结果表明：煤焦的非等温气化反应活性和等温气化反应活性存在一定的差异,气化温度、煤种及煤灰分中的碱金属均影响气化反应活性,煤焦的等温气化反应活性为印尼加里曼丹岛煤焦的最高,神木煤焦最低,气化温度对神木煤焦的影响更显著。分布活化能模型和随机孔模型计算的活化能存在一定的关联;随机孔模型能较好地拟合煤焦气化实验数据。     

煤焦与水蒸气及CO2共气化反应性研究

采用常压热天平实验装置,在温度为1 173～1 323 K条件下,研究了3种煤焦与水蒸气、CO₂及二者不同配比混合气体的气化特性.结果表明：气化反应温度越高,煤焦的气化反应性越好;气化剂配比中水蒸气的含量越高,煤焦的反应性越好.3种煤焦与水蒸气及CO₂共气化反应性顺序为：神东>宝一>王坡;同一气化剂配比下,3种煤焦的平均比气化速率随温度的升高而增大,同一气化温度下,3种煤焦的平均比气化速率随气化剂中水蒸气含量的增加而增大;3种煤焦在与水蒸气及CO₂混合气体共气化过程中表现出的交互作用不同.     

升温速率及水蒸气分压改变对煤焦气化反应性的影响

用非等温热重法考察了神华煤焦、平朔煤焦及潞安煤焦的水蒸气气化反应性,分析了升温速率、水蒸气分压改变对煤焦气化反应性的影响,即水蒸气分压越大,煤焦的气化反应速率越快;随升温速率的提高,热失重曲线向高温区偏移,最大失重速率相应增大。利用最大反应速率法和半衰期法评价了所选样品的气化反应性。试验结果表明,在相同的气化反应条件下,随着变质程度的提高,煤焦的气化反应性逐渐减小,其气化反应性顺序为神华煤焦>平朔煤焦>潞安煤焦。     

不同干馏温度下高炉喷吹煤粉的反应性比较

采用热重法对几家钢厂煤粉在不同干馏温度下二氧化碳(CO2)气化反应性进行研究。实验结果表明:喷吹煤粉的碳转化率在相同反应温度下随干馏温度的升高而减小,最大气化反应速率随干馏温度的升高逐渐增大。动力学计算表明各钢厂喷吹煤粉的气化反应级数为2/3,活化能以及指前因子随干馏温度的升高而增大。     

煤及其显微组分热解特性研究

选取4种不同变质程度的煤类,对原煤及其显微组分进行了热解特性研究,利用最大失重速率评价了原煤及其显微组分富集物的热解反应性,并采用一级反应模型、Doyle积分法求取了样品的动力学参数.动力学分析结果表明,由于样品热解各段的反应历程不同,因此求取的热解动力学参数也不同,4种原煤及其显微组分主要热解段的表观活化能介于35.93 kJ/mol～63.84 kJ/mol.     

高温下神府煤焦/CO2气化反应动力学

在950~1 400 ℃,以神府煤为原料制备了各种慢速和快速热解焦,并对各种热解焦的CO2气化反应动力学进行了研究。研究结果表明：在高温范围内,修正体积模型对神府煤焦/CO2气化反应的模拟明显优于收缩未反应芯模型和随机孔模型;神府煤焦气化反应动力学从低温到高温存在一个偏折点,即低温区(950~1 150 ℃)属化学动力学控制,高温区(1 150~1 400 ℃)属扩散动力学控制。在950~1 150 ℃,神府慢速和快速热解煤焦的表观活化能范围分别为109.21~205.30 kJ/mol和86.88~116.90 kJ/mol;在1 150~1 400 ℃,分别为16.58~52.16 kJ/mol和14.00~32.91 kJ/mol;神府煤焦/CO2气化反应过程也存在动力学补偿效应。