微型流化床内原位焦炭水蒸气气化动力学实验研究

摘要

煤气化符合煤高效清洁利用的要求。煤气化包括煤热解和焦炭气化两个不同的反应阶段，通常将二者解耦研究。目前大部分研究者采用自制实验装置制焦，而后利用热重法分析焦炭的反应性，分析过程繁琐，分析效率较低；且存在焦炭降温再升温的热处理过程。
　　本文应用微型流化床多阶段反应分析仪研究原位焦炭水蒸气气化反应动力学。采用瞬时进料，颗粒可达103-104℃/min的升温速率；微型流化床增强传热传质，可最大程度抑制扩散的影响。热解和气化两个过程均在本仪器的微型流化床层中进行：反应器升温至设定热解温度后，一股脉冲压缩气携带10±0.2mg煤粉进入反应器，进行热解。热解阶段结束后，反应器降温至焦炭气化的温度；然后将反应器内的惰性气氛切换至水蒸气气氛，继而进行焦炭的水蒸气气化反应。此分析过程避免了焦炭的急冷和再升温过程，保持了焦炭的原位反应性。
　　本文研究了温度（800～1000℃）和水蒸气浓度（15~45％）对神华（补连塔）烟煤、准东次烟煤的1000℃热解原位焦炭气化反应性的影响。结果表明，随着温度升高，气化反应速率明显加快。随着水蒸气浓度增加，气化速率也相应提高。当水蒸气浓度高于25%后，水蒸气浓度的增加对焦炭气化反应速率的影响变得较弱。准东煤的原位焦反应性明显高于神华煤的原位焦。应用等转化率法计算反应活化能，四种水蒸气浓度条件下原位焦气化反应的活化能相近。应用缩核模型和随机孔模型计算活化能和指前因子，其计算结果几乎一致且与等转化率法算得的活化能极为接近。本文对比了原位焦和非原位焦的反应性。两种煤在1000℃条件下热解，生成的原位焦炭和非原位焦炭在不同气化温度下与浓度为25%的水蒸气发生气化反应。相比于原位焦，非原位焦在热解阶段结束后，经历了一个额外的降温、恒温、再升温的过程。实验结果表明，原位焦的反应性明显高于非原位焦。相同转化率下，原位焦的反应速率高于非原位焦。1000℃条件下，准东煤焦与25%浓度水蒸气反应，相同时刻，转化率最大相差13%；降温再升温热处理降低了原位焦的反应性。还对比了原位焦和非原位焦气化反应过程中的动力学参数，均存在明显差别。
　　基于MFBRA-MRA，采用原位反应方式分析煤焦气化反应性，分析过程可靠、便捷、经济高效；因此该分析手段具有独特优势。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1课题研究背景及意义

1.2水蒸气气化国内外研究现状

1.3课题研究方法和主要研究内容

第2章 实验系统介绍与研究

2.1实验系统简介

2.2实验系统调试

2.3本章小结

第3章 原位焦炭水蒸气气化实验研究

3.1煤焦水蒸气气化反应机理

3.2原位焦的制取方法

3.3实验内容及方法

3.4实验结果分析

3.5本章小结

第4章 水蒸气气化动力学参数计算

4.1动力学参数求算简述

4.2等温法与非等温法

4.3等转化率法计算活化能

4.4缩核模型计算动力学参数

4.5随机孔模型计算动力学参数

4.6两种模型及等转化率法结果对比

4.7本章小结

第5章 原位焦炭/非原位焦炭水蒸气气化动力学对比

5.1非原位焦制取方法

5.2原位焦与非原位焦反应性对比

5.3原位焦与非原位焦动力学参数对比

5.4本章小结

结论

对未来工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢