（热能工程专业论文）天然焦的热解及催化气化反应特性研究.pdf

摘要 摘要 天然焦是采煤过程的副产品，广义上说仍然属于高变质程度的一类煤，是煤层受岩浆侵入，快速热解、 干馏而成的固体可燃矿物，因与人工焦炭相似而得名，其热值大都在1 8 3 0m jr k g 1 之间。煤层中，天然 焦在竖向或横向上与煤共存，如不及时规划开采，在煤矿开采过程中往往受眼前利益驱使而被丢弃在采空 区，致使日后难以回收利用，造成资源的严重浪费。我国天然焦储量丰富，至1 9 9 9 年底全国已发现天然 焦储量为1 6 2 7 亿吨，将天然焦用于发电，可缓解能源紧张。截至目前为止，有关天然焦的分子排列、热 解过程，热重分析仪的c 0 2 气化反应及催化气化反应、流化床一h 2 0 催化气化方面的研究，国内外均未见 报道。基于此，本文对徐州沛城煤矿天然焦进行物理特性分析，在热重分析仪上研究沛城煤矿天然焦的热 解、气化特性，并在自行建造的流化床装置上对天然焦- h 2 0 进行催化气化试验研究。 利用扫描电子显微镜对沛城煤矿天然焦和韩桥烟煤进行观察，镜下结果显示，沛城煤矿天然焦具有比 韩桥烟煤更发达的孔隙结构。x 射线衍射结果显示，沛城煤矿天然焦微晶的平行定向程度高于韩桥烟煤 但是表征晶体三维结构的1 0 1 衍射峰并未出现。 对天然焦热解过程的热重分析结果表明，与煤的热解过程不同，天然焦的热解过程没有半焦形成阶段， 只包括了2 个不同的脱气阶段。随升温速率的提高，t g 曲线向高温区偏移，升温速率对天然焦挥发分的 析出量几乎没有影响：热解终温对试样挥发分析出量的影响较为明显，高温时，试样颗粒显微镜下呈现出 丰富的微孔结构，有利于挥发分的析出和还原活性的提高；颗粒粒度的减小有利于挥发分的析出：低于某 特定温度，热解压力的影响较弱，当温度继续升高，压力的影响逐渐明显。采用c o a t s - r e d r e m 积分法对天 然焦的热解过程进行了动力学分析，沛城煤矿天然焦热解反应级数n - - 0 5 ：随升温速率的提高，反应活化 能略有增加；随着试样颗粒粒度的减少，反应活化能降低；增加操作压力，热解活化能随之增大，但增长 幅度趋缓。 在t g a 9 2 型热重分析仪上研究沛城煤矿天然焦- - c 0 2 气化反应特性，结果表明：沛城煤矿天然焦与 原煤的气化特性比较接近，略高于原煤：气化温度对气化反应影响显著：随着气化反应操作压力的增加， 气化反应速率增加，天然焦试样碳转化率增加，但是，试样碳转化率的增加并不是成线性的，在较高操作 压力下，压力对天然焦- - c 0 2 气化反应的影响较弱；浸溃了钾，钙，铁和镍基单种催化剂的天然焦样品气 化反应速率增加得较快；催化剂的添加方法对煤焦的气化反应影响显著，浸渍法好于干混法；干混法添加 混合催化剂对天然焦试样气化反应的催化效果较好。在沛城矿天然焦气化过程中，采用干混法添加混合催 化剂是一种易于操作且催化效果明显的方法。催化效果最佳的混合催化剂中各单种金属原子比例为：f e n i 其它= 3 5 5 5 1 0 ，催化剂金属原子含量为沛城天然焦试样质量的4 左右时，催化效果最佳。文章中对天然 焦- - c o ：气化反应机理进行了论述。未反应收缩核模型能够很好地描述沛城矿天然焦的气化过程，沛城矿 天然焦气化反应活化能高于韩桥烟煤，是烟煤的1 2 倍。 沛城煤矿天然焦一h 2 0 气化反应a s p e np l u s 模拟结果与试验结果显示，气化反应温度是影响气化反 应的主要因素。随着气化反应温度的升高，煤气组分中i - 1 2 、c 0 2 含量下降、c o 含量增加，煤气产量、碳 转化率迅速增加，可燃组分含量增加，煤气热值、小时产气热值增加。氧气流量是影响气化反应的另一主 要因素。在气化反应温度9 0 0 1 2 、天然焦试样添加量为0 2 k g h - 1 、水蒸气流量为1 0 5 l 【g h _ 1 工况下，调整气 i 东南大学博士学位论文 化介质量氧气流量，其变化范围为从0 o 4 l m i n 一。随着氧气流量的增加，气化反应速率增加，产气量、 碳转化率增加，但产气量的增幅速率不同。在氧气流量低于o 2 l m i l l 时，产气量增幅较大，随着氧气量 的进一步增加，产气量的增幅变得缓慢；随着氧气流量的增加。煤气组分中h 2 、c o 、c i - 1 4 的含量降低， c 0 2 含量增加，且增加的较明显；随着流化介质中氧气流量的增加，可燃组分含量、煤气热值降低；在氧 气流量低于o 2 l r a i n 。时，随着流化介质中氧气流量的增加，小时产气热值增加。而在氧气流量超过o 2 l m i n - 1 时，小时产气热值模拟数值增加缓慢，试验数值出现下降趋势。在不同的反应工况下，a s p e n p l u s 模拟数值与试验数值相近，且变化趋势相同。应用a s p e np l u s 模拟软件模拟天然焦- - h 2 0 气化反应过程 对系统设计与优化具有重要意义。 钾、钙、铁和镍基4 种单一催化剂的加入使得天然焦一h 2 0 气化反应速率加快，产气量、碳转化串、 小时产气热值明显增加；4 种物质的催化作用效果相当，c a 基催化剂的催化效果略弱；催化效果最佳的混 合催化剂中各单种金属原子比例为：f e n i 其它= 3 5 5 5 1 0 ，这一结论与天然焦- - c 0 2 气化反应结论相一致。 随着催化剂含量的增加，产气量、碳转化率、煤气热值、小时产气熟值增加。通过对煤气成分、各成 分产气量、总产气量，煤气热值、小时产气热值的综合分析，发现随着催化剂含量的增加，气化反应结果 均出现一拐点，其拐点值在催化剂含量为4 处，这说明催化剂的添加量存在一个极值，当催化剂含量超 过这一极值时催化作用变得不明显。最后确定催化气化反应的最佳催化剂含量应该在4 附近，这一结论 与天然焦- - c 0 2 气化反应结论相一致。干混法添加混合催化剂，催化效果明显，且方便易行，便于工业生 产应用。 本文试验的主要目的在于通过试验筛选最佳催化剂并确定最佳添加量。流化床试验装置较小，加料量 受到限制，不能实现连续进料，为保证气体各成分产气量稳定及实现较高的碳转化率，可以延长间歇进料 时间，加料时间间隔从1 5 r a i n 增加到2 5 m i n ，试样的碳转化率从5 6 4 增加到9 2 5 ，但可燃组分含量、 煤气热值和小时产气热值略有下降。可以预见，在较大尺寸的循环流化床气化装置中，可以实现连续加料， 在适当的加料量情况下能够达到较高的碳转化率，同时床层高度的增加使得气化介质停留时间延长，提高 煤气中可燃组分含量、煤气热值和小时产气热值。另外，循环流化床中返料装置的存在以及加压气化均会 使得碳转化率、煤气热值和小时产气热值进一步增加。 利用循环流化床技术将天然焦进行水蒸气催化气化，是清洁，高效利用天然焦这一高热值燃料的有效 手段，它可以很好地克服天然焦点火难和热爆性等不利因素、实现资源的充分利用，具有广阔的应用前景。 关键词：天然焦，热解，气化，催化，动力学，a s p e np l u s n a t u r a lc o k ei sab y - p r o d u c td u r i n gt h ep r o c e s so f c o a lm i n i n ga n dak i n do f h i g hm e t a m o r p h i cg r a d ec o a l i t i sac o m b u s t i b l es o l i df o s s i lf o e lf o r m e df r o mt h ec o a lb e dw h i c hw a si n v a d e d , p y r o l y s i s e da n dc a r b o n i z e db y h i g ht e m p e r a t u r em a g m a a n dh a si t sn a mf o ri t ss i m i l a r i t yt on l a n m a d ec o k e i t sh e a t i n gv a l u ei sa tr a n g eo f 1 8 3 0 蜮n a t u r a lc o k ec o e x i s t sw i t hc o a li nt h ec o a lb e & a n di tw o u l db ed i s c a r d e do ri mi nt h em i n e 谢t h o u ts c h e d l l l e de x p l o i t a t i o n ，c a u s i n gt r e m e n d o u sr e s o u r c ew a s t ea n dg r e a t v 曲m t a lh a r m t h e r ea r c a b u n d a n tn a t u r a lc o k er e s c r v e si no u rc o u n t r y u pt o1 9 9 9 t h et o h a l “镕e r v e so f n a t u r a lc o k ee x p l o r e dw e r ea b o u t 1 6 2 7h a n d r e dm i l l i o n st o n si nc h i n a n a t o r a lc o k ec a nb eu s e da st h eg a s i f i c a t i o nf e e d s t o c kf o rp o w e rg e n e r a t i o n s y s t e m i ti s i t a b l ew a yt o u t i l i z en a t u r a lc o k er e s o b r c ea n dt ol i g h t e nt h ec r i s i so fe n e r g ys o l l r c e 3 i ti sa l s o e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y 1 1 i n v e s t i g a t i o no i lt h em o l e o d a ra n n n g e m e n ta n dt h ep y r o l y s i sc h a r a c t e r i s t i c so f n a t u r a lc o k e ，t h eg a s i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fn a t e g a lc o k e - c 0 2o nt h e r m o g r a v i m e l x i ca p p a r a t u s ，a n dt h en a t u r a l c o k e - v a p o rg a s i f i c a t i o np r o p c r l j e su s i n gf l u i d i z e db e di ss t i l lv a c a n ti nt h ew o r l ds of a r i n t h i sp a p e r p e i c h e n g n a b l r a lc o k ef r o mp e i c h u n gc o l l i e r y , x u z h o u , j i a n g s u , c h i n a , w a ss e l e c t e da st h es a m p l ea n di t sp h y s i c s c h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d a l s ot h ep y r o l y s i sa n dg a s i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f n a t u r a lc o k ew e r ei n v e s t i g a t e d u s i n gt h e r m o g r a v i m e t r i cf r g ) a p p a r a t u s 1 1 1 ec a t a l y t i cg a s i f i c a t i o np r o p e r t i e so f r m t t n a lc o k e v a p o rw c f es t u d i e d i nab e n c h a c a l e dn u i d i z e db e d t h es t r u c t u r e so f p e i c h e n gn a t u r a lc o k ea n dl - i a n q i a ob i t u m i n o u sc o a lw e r eo b s e r v e db yas c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p ef s e m ) 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h ep e i c h e n g n a t n r a lc o k eh a sn l o r ep o r e st h a nl - l a n q i a ob i t u m i n o u sc o a l x - r a yd i f f r a c t i o nc u r v e ss h o wt h a tt h ep a r a l l e ld i r e c t i o n a le x t e n to fp e i c h e n gn a t u r a lc o k ei s b e t t e rt h a nt h a to f h a n q i a ob i t u m i n o u sc o a l b u t1 0 1d i f f r a c t i o np e a lw h i c hf i g u r e st h et h r e ed i m e n s i o n a ls m l c t u r e so fac l y s t a l ， d o e sn o ta p p e a r 1 1 p y r o l y s i sc h a r a c t c r i s t i e so f n a t l l r a lc o k ew r ei n v e s t i g a t e do nt h ep f 鼯s u f i z e dt h e r m o - g r a v i m e t r i c ( t g ) a p p a r a t u s 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a tt h ep y r o l y s i sp r o c e s so f n a t u r a lc o k ei sd i f f e r e n tf r o mt h a to f c o a li t h a so n l yt w o d i f f e r e n td e g a ss t a g e sa n dh a sn os e m i - c o k ef o r m i n gs t a g e t gc u r v et e n d st ol l e1 1 i g ht e m p e r a r u ea r e aa st h e i n c r e a s eo ft h eh e a t i n gr a t ea n dt h eh e a t i n gr a t eh a dn oe f f e c t so nt h eu l t i m a t ev o l a t i l er e l e a s e p y r o l y s i s t e m p e r a t u r eh a sa no b v i o u si m p a c to nt h eu l t i m a t ev o l a t i l er e l e a s e t h ch i g h e rt h ep y r o l y s i st e m p e r a t u r ei s t h e m o r ea b u n d a n tt h ep o r o n ss t n m t o r eo f n a t u r a lc o k ei s w h i c hw a sb e n e f i c i a lt ov o l a t i l i z a t i o na n dr e d u c t i o na c t i v i t y s m a l lp a r t i c l es i z el e a d st om o r ev o l a t i l er e l e a s e a n dt h ep y r o l y s i sp r e s s u r eh a sw e a ke f f e c t so np y r o l y s i su n d e r e a r t a i nt e m p e r a t u r e b u ti ti n f l u e n c e st h ep r o c e s sw h e nt h et e m p e r a t u r ee x c e e d sac 叭t a i np o i n t n mk i n e t i c so fp y r o l y s i sp r o c e s s e so fp e i c h e n gn a t o r a lc o k ew a ss t u d i e db yc o a t s - 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c o k e r e c i r c u l a t i o na n dt h ep r e s s u r i z e do p e r a t i n gm o d ew i l la l s op r o m o t et h ec o m b u s t i b l ec o n t e n ti nt h eg a sp r o d u c t , t h e h e a t i n gv a l u e ，a n ds p e c i f i cg a sh e a t i n gv a l u ep e rh o u r i v a b s t i l a c t t h ec a t a l y t i cg a s i f i c a t i o nt e c h n i q u eo f n a t u r a lc o k e - v a p o u ri nc i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e di sa ne f f e c t i v ew a yt o u t i l i z en a l l h a lc o k ee f f i c i e n t l ya n de n v i r o n m e n t 衔e n d l y i to v e r c o m e sw e l lt h ed i t t 日c u l ti g n i t i o na n dh o tb u r s t f a c t o r , a n du t i l i z e sr e s o u r c es u f f i c i e n t l y i th a sp r o s p e c t i v ea p p l i c a t i o nf u t o r e k e yw o r d s ：n a t u r a lc o k e ，p y r o l y s i s ，g a s i f i c a t i o n , c a t a l y z e ，k i n e t i c s ，a s p e np u j s v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材判。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明