内构件固定床反应器中不同水分煤的热解特性

通过在有无内构件(传热板和中心集气管)固定床反应器中研究不同水分含量煤的热解特性,考察了两反应器中煤料的升温特性、热解产物分布、焦油品质以及气体产物组成和半焦热值。结果表明,内构件可以强化传热和调节热解产物在反应器内的流动,相对无内构件反应器,有内构件反应器的反应时间缩短近一半。在有内构件反应器中,当煤水分增加,导致煤热解反应要求的时间延长,焦油中轻质组分(沸点低于360℃)含量明显升高,焦油收率先增加后降低,热解水和热解气产率升高,而无内构件反应器的热解产物无明显差异。当加热温度900℃时,煤水分从0.41%(本文中无特殊说明的均为质量分数) 增加至11.68%,焦油产率从9.21%增长到10.74%;当煤水分增加到15.93%,焦油产量下降到10.26%。两反应器气体平均组成随水分增加的变化趋势相似,气体热值均随水分增加呈下降趋势。     

方形固定床反应器中料厚对热解特性的影响

通过模拟常规固定床反应器内热解气体走向,设计了单侧加热方形反应器,在1个反应器内实现了考察不同厚度的热解特性。反应器内煤层厚度越大,二次裂解作用越显著,从而明显影响物料的升温及热解特性。试验结果表明,厚度增加会导致焦油产率和煤气热值降低,焦油中轻质组分(沸点低于360℃)质量分数增加。     

低阶煤与浒苔低温共热解产物特性研究

采用自行设计的低温干馏装置,将不同配比下的低阶煤-浒苔混合物进行低温共热解,考察随着浒苔配入量的增加各热解产物的产率和品质的变化.结果表明,当浒苔配入量为30%时,焦油产率达到最大值11.39%,比低阶煤单独热解提高了28.61%.此时,热解焦油中烷烃类含量为48.66%,酚类含量为9.12%,明显高于原始焦油中相应组分的含量,热解焦油的n(H)∶n(C)提高了9.87%,表明热解焦油达到了一定程度的轻质化.同时煤气成分中CH4和H2的含量有所增大.SEM检测显示,混合热解时半焦表面变得粗糙,形成了明显的裂纹中心.混合热解的半焦热值相对于浒苔单独热解的半焦热值有显著提高.     

催化煤解聚产物分布特性研究

以课题组独创的催化剂添加方式,实现了对煤的催化解聚.研究了锌基催化剂对内蒙褐煤催化解聚产物分布的影响.结果表明:催化解聚对产物的分布影响显著.相比原煤热解,催化煤解聚焦油产率提高26.88%,煤气热值提高30.79%,半焦比表面积提高80.65%.催化煤解聚相比原煤热解显示出一定的潜在优越性.     

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。     

半焦催化裂解原位煤热解焦油的研究

在两段固定床反应器内考察了不同半焦对府谷煤热解产物的催化裂解效果。结果表明,不同半焦对煤热解产物催化裂解后,焦油收率降低,但焦油中沸点低于360℃的轻质组分质量分数明显增高。与煤在600℃直接热解相比,在热解和催化温度均为600℃时,采用煤样质量20%的半焦为催化剂时催化效果最好,其中轻质焦油收率基本不变,焦油中轻质组分质量分数提高了25%。半焦的表面结构和灰分都对煤热解产物的催化裂解有一定效果。在比表面积较低时,半焦中的灰分对原位煤热解焦油的裂解作用比较明显;随着比表面积的增加,灰分的影响越来越弱,半焦表面结构的影响越来越明显。     

半焦基催化剂裂解煤热解产物提高油气品质

利用上段热解下段催化的两段固定床反应器,针对府谷煤研究了半焦和半焦负载Co催化剂对煤热解产物的催化裂解效果。结果表明,半焦和半焦负载钴对热解产物催化裂解后,热解气收率增加,焦油收率降低,但焦油中沸点低于360℃的轻质组分含量提高,轻质焦油收率基本保持不变或略有增加。与煤在600℃直接热解相比,在热解和催化温度均为600℃,采用煤样质量20%的半焦为催化剂时焦油中轻质组分质量含量提高了约25%,轻质组分收率基本不变,热解气体积收率增加了31.2%;在热解温度600℃,催化温度500℃时,采用煤样质量5%的半焦负载钴催化剂,焦油中轻质组分质量收率和含量分别提高了约8.8%和28.8%,热解气体积收率增加了21.5%。煤热解产物的二次催化裂解的总体效果是将焦油中重质组分转化为轻质焦油和热解气。     

内旋式移动床煤热解新工艺开发及试验

采用2t/d外热内旋式移动床热解试验装置,通过控制反应器物料热解区及粉尘沉降气室区的温度,研究了内旋式移动床工艺温度分布对13mm以下神木煤热解产物产率及性质的影响规律。结果表明：物料热解温度控制为650℃和700℃时,煤料均实现了较好热解,半焦挥发分V_daf降低至10.36%～11.95%;相同物料热解温度,提高粉尘沉降气室温度后,辐射传热作用增强,半焦和焦油产率降低,煤气产率升高;在物料热解温度700℃,粉尘沉降气室温度500℃时,焦油收率Tar_d最高,为7.44%;物料热解温度为650℃,焦油模拟蒸馏360℃以下馏分含量为63.3%～72.0%,物料热解温度700℃时为67.5%～72.2%;相同物料热解温度,提高粉尘沉降气室温度后,焦油中轻油组分减少,洗油和沥青质含量增加,煤气中氢气含量增加;粉尘沉降气室温度达到550℃时,挥发物二次反应作用明显强于450℃和500℃;各工艺条件下,焦油中喹啉不溶物含量均低于1%,最低为0.51%。     

神府煤热解产物分布及物料、热量平衡分析

主要对神府煤在不同热解工艺条件下,进行热解产物分布、物料及热量平衡分析。结果表明,半焦约、焦油及粗煤气产品神府煤热解的半焦收率为60%,焦油收率为7%,煤气收率为19%,粗煤气中有效组分含量高达70%~85%(vol%);中试研究中物料平衡和能量平衡数据存在误差。可见,以神府煤为原料,利用热解技术生产半焦、焦油和煤气,可实现煤炭的梯级利用。     

N_2保护下热预处理对胜利褐煤热解产物分布的影响

采用管式炉反应器在惰性气氛下对胜利褐煤进行脱氧预处理,研究了热预处理对褐煤热解产物半焦产率、焦油产率及气态产物的影响。结果表明:热预处理使得煤半焦产率明显降低,焦油产率升高,气体生成量大于原煤。在600℃热解时,半焦产率最小,焦油产率最大。褐煤中含氧官能团之间的氢键会使得交联反应增加。     

基于过程强化与反应调控的煤定向热解制高品质油气产物基础研究及中试验证

对比了现有煤热解制油气技术的特点,从反应工程“三传一反”的角度系统分析和概括了煤热解过程中挥发分在颗粒内生成和释放、颗粒间扩散和反应器中停留等关键步骤中的热量、质量传递和挥发分二次反应对油气品质的影响,揭示了目前碎煤热解制油气技术普遍存在的目标产品产率低、品质差、含尘量高等技术难题的根源,并总结出煤定向热解调控的有效措施,即在挥发分生成和半焦缩聚段采用高温加热和快速传递的传热方式,在挥发分扩散过程中利用半焦床层重整焦油和过滤灰尘,在反应器中设置气体通道导流挥发分的定向溢出。针对研究团队前期开发的内构件移动床定向热解理念,介绍了导热板和集气腔等内构件的作用机制,即通过导热板和中心集气腔等内构件进行传热强化、热解气流动的有序引导,实现热量和挥发分的同向扩散和传递;通过移动床中颗粒的缓慢运动和床层的过滤作用除尘;概述了1~5 kg/次基础实验、反应器结构内传热和流动模拟,100 kg/次模试分析和1000 t/a中试验证的研究结果,充分证实了该技术在同步提高油气质量与品质、降低油中尘含量等方面的优势和对碎煤原料的适用性;基于上述研究形成了内构件定向热解技术及基于该技术的热/电-油-气联产技术。     

温度梯度与产物流动对先锋褐煤热解产物分布的影响

通过两段固定床反应器分离了煤热解和二次反应过程,模拟了传统外热式固定床反应器和外热式内构件固定床反应器内挥发性热解产物流动与固相反应颗粒间的相互作用,研究了不同温度的半焦对先锋褐煤热解产物分布和品质的影响。结果表明：当半焦的温度在500～900℃时,焦油发生剧烈的二次反应,热解气收率增加,焦油收率大幅下降,H/C同时大量降低且均低于空白样,油品质下降;在100～400℃半焦作用下,焦油发生轻微的二次反应,热解气收率略微增加,焦油收率缓慢下降,但H/C均高于空白样,油品质提升。该结果验证内构件外热式固定床反应器热解产生的焦油具有更高的收率及品质。     

复合流化床低阶煤热解制备兰炭的工艺条件

以不同粒径范围的新疆准东煤为原料,在耦合下部流化床和上部输送床的复合流化床中热解制备兰炭,考察了热解温度、过量氧气系数、气化温度、煤颗粒停留时间等对热解产物分布和热解半焦性质的影响. 结果表明,随过量氧气系数、气化温度和颗粒平均停留时间增加,气体产率升高,半焦和焦油产率降低;半焦的比表面积随气化温度升高而增大,而随过量氧气系数增大先增大后减小. 当煤从下部流化床进料时,在过量氧气系数0.11、流化床气化温度850℃、输送床热解温度750℃、流化床内煤颗粒停留时间90 s的操作条件下,可制备出固定碳含量超过83%(w)、挥发分含量低于9%(w)的兰炭.     

热解温度和反应气氛对输送床煤快速热解的影响

在连续进料量为1.2 kg·h^-1的输送床反应器中考察了热解温度和反应气氛对不连沟次烟煤快速热解的影响。N₂气氛下,随着煤热解温度升高,焦油产率先增加后减小,600℃时达到最大值10.3%;对应的半焦产率下降,气体产率以及气油比增加。高温促进了煤挥发分的释放以及挥发分在气相中的二次反应,部分产物从固相和液相产品转化为气相产品,氢气、甲烷和乙烯等气体组分的产率明显增加。700℃下,H₂气氛能够抑制挥发分二次反应的发生,起到稳定自由基和加氢的作用,显著提高焦油产率和油品品质,同时有利于甲烷的生成。CO气氛在一定程度上同时提高了轻质和重质焦油产率。CO₂和水蒸气能够促进焦油的二次反应,特别是重质焦油的裂解,具有一定的提质作用,但会导致焦油产率下降。CH₄气氛促进了重质焦油组分的生成,使得热解焦油产率提高。     

生物质热解气在高温煤焦层中裂解特性研究

在小型两段式固定床反应器中,对生物质热解气在高温煤焦层中的裂解反应特性进行了研究,重点考察了两段式热解中裂解温度、停留时间及煤焦特性对焦油裂解率、气体产率及成分的影响.结果表明,增加气体停留时间及裂解温度,都有利于促进生物质气中焦油裂解和气体产率提高.裂解温度对气体产率、组分及焦油裂解率影响更明显,高温促进H2和CO的生成,1000℃时H2和CO的含量达到94.51%.当生物质热解气在煤焦中停留时间达到1.41s后,气体中各组分变化趋于缓慢;不同热解条件所制得的煤焦对生物质气中焦油裂解效果不同,较低制焦温度和较短热解时间都有利于增加煤焦的反应活性,促进焦油分解为可燃气体.     

水蒸气/氧流化床两段煤气化制备低焦油合成气工艺实验

由下行床热解和提升管（或输送床）气化组合形成的流化床两段气化将煤气化反应过程解耦为煤热解和半焦气化两个反应阶段,热解产物完全进入气化反应器,利用其中的高温环境和输送的半焦催化作用分别实现焦油的热裂解与催化裂解,完成低焦油气化。利用该流化床两段气化的10 kg/h级实验室工艺实验装置,以榆林烟煤为原料、水蒸气/氧气作为气化剂,变化过量氧气系数ER、蒸汽炭比S/C、热解及气化温度等参数,研究水蒸气/氧流化床两段煤气化制备低焦油合成气的特性。结果表明,流化床两段气化系统可实现稳定运行（实验3 h以上）,在ER=0.36和S/C=0.15时,热解和气化的代表温度分别稳定在735℃和877℃,合成气的CO、CO₂、H₂、CH₄、C _n H _m 和N₂含量分别为14.33%、10.07%、18.39%、9.89%、1.82%和45.50%,相应的合成气产量达到1.8 m³/kg,低位热值8.99 MJ/m³,焦油含量0.437 g/m³,展示了制备低焦油合成气的技术特征。对于实际的长时间连续运行,更高的气化温度将使流化床两段气化具有更好的低焦油特性。     

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.