分级转化系统中热解半焦气化特性的研究

摘要

目前，我国对于煤炭的利用大部分仍采用直接燃烧的粗放单一方式。煤炭分级转化多联产利用技术依据煤的组成和反应特性进行分质分级梯级利用，以液体燃料和电力为目标产品，实现煤炭资源的梯级高效利用，有效解决了所面临的资源与环境问题。本文基于煤炭分级转化的思想，提出了煤热解气化燃烧分级转化多联产利用技术，构建了联产热、电、甲醇及燃料油的分级转化多联产利用系统，并对其开展了模拟研究以及系统中关键问题的实验研究。
　　首先，利用Aspen Plus软件对煤热解气化燃烧分级转化多联产利用系统进行了全流程模拟，计算得到了系统热效率、系统总投资、内部收益率和投资回报周期等热力学与经济性指标，并与煤热解气化分级转化多联产利用系统的相关指标进行了对比，全面评估了煤热解气化燃烧分级转化多联产利用系统的可行性。结果表明，煤热解气化燃烧分级转化多联产利用系统虽然设备投资比煤热解气化分级转化多联产利用系统高，但其系统热效率更高，可达47.02％LHV，表明该系统具有一定的可行性。
　　其次，搭建多气氛热解实验台和多元混合气氛热重实验台。开展了热解气氛对半焦结构和气化反应特性的实验研究。在真空水平管式炉中制取了不同热解气氛的热解半焦，采用激光拉曼光谱和氮气吸附等手段表征了半焦的物理结构特性。结果表明，CO2热解气氛下制取的半焦无序化程度更高，且比表面积较大，而CO，CH4和H2热解气氛下制取的半焦石墨化程度较高且比表面积较小。热重气化实验结果表明，CO2热解气氛下制取的半焦气化速率最高，而CO，CH4和H2热解气氛下制取的半焦气化速率均低于Ar气氛下的半焦。这可能是由于热解过程中的CO2气化反应、CO歧化反应、CH4热裂解反应以及H2的缩合与脱氧反应所导致的。
　　然后，研究了在H2O和CO2混合气氛以及H2O，CO2，H2和CO多元混合气氛下比表面积对半焦气化机理的影响。采用不同的热解速率制取了具有不同比表面积的半焦样品。实验结果表明，大比表面积半焦的气化速率更符合独立活性位Langmuir-Hinshelwood(L-H)模型假设，而小比表面积半焦的气化速率则更符合共用活性位L-H模型假设。因为大比表面积半焦可提供更多的活性位，H2O与CO2分子之间对于活性位的竞争较小。
　　最后，研究了在H2O和CO2混合气氛以及H2O，CO2，H2和CO多元混合气氛下灰成分对半焦气化机理的影响。采用酸洗法，制取了脱灰半焦，采用盐溶液浸渍法，制取了负载Na盐的半焦。实验结果表明，脱灰半焦的气化速率既不符合共用活性位假设也不符合独立活性位假设。Na盐半焦的气化速率接近于独立活性位假设。因为矿物质脱除会降低半焦催化效果，加剧了H2O与CO2分子对于活性位的争夺。而碱金属盐对半焦气化反应起催化作用，为气化反应提供了更多的反应活性位，削弱了H2O与CO2分子之间对于活性位的竞争。

目录

声明

摘要

图表目录

1 绪论

1．1 引言

1．2 煤炭多联产技术

1．2．1 以煤热解为基础的多联产技术

1．2．2 以煤完全气化为基础的多联产技术

1．2．3 以煤部分气化为基础的多联产技术

1．3 煤炭分级转化多联产技术研究现状

1．4 煤热解气化燃烧分级转化利用多联产系统的提出

1．5 本文研究内容

2 煤炭热解气化燃烧分级转化利用多联产系统的全流程模拟

2．1 引言

2．2 煤热解气化燃烧分级转化利用多联产系统介绍

2．3 煤热解气化分级转化利用多联产系统介绍

2．4 模拟方法

2．4．1 分级转化单元

2．4．2 双流化床单元

2．4．3 空气分离单元

2．4．4 气体净化单元

2．4．5 焦油加氢单元

2．4．6 甲醇合成单元

2．4．7 燃气蒸汽联合循环单元

2．5 两种多联产系统结果统计方法

2．5．1 系统效率

2．5．2 系统投资估算

2．5．3 内部收益率

2．5．4 投资回报期

2．6 两种多联产系统结果对比分析

2．6．1 热力学分析

2．6．2 经济性分析

2．6．3 总结

2．7 本章小结

3 热解气氛对半焦结构和气化速率的影响

3．1 引言

3．2 实验方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 半焦表征

3．2．3 实验系统及改造

3．2．4 抑制扩散效应

3．2．5 实验步骤

3．3 数据分析方法

3．4 实验结果

3．4．1 半焦拉曼光谱分析

3．4．2 半焦气化反应特性分析

3．5 本章小结

4 比表面积对半焦气化机理的影响

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 半焦制备

4．2．2 实验系统

4．2．3 实验工况

4．2．4 实验步骤

4．3 数据分析方法

4．4 实验结果及讨论

4．4．1 确定L-H模型动力学参数

4．4．2 半焦在H2O和CO2混合气氛中的气化

4．4．3 半焦在H2O、CO2、H2和CO多元混合气氛中的气化

4．5 本章小结

5 灰成分对半焦气化机理的影响

5．1 引言

5．2 实验方法

5．2．1 原料

5．2．2 化学脱灰

5．2．3 灰成分半焦制备

5．2．4 实验步骤

5．3 实验结果及讨论

5．3．1 确定L-H模型动力学参数

5．3．2 半焦在H2O和CO2混合气氛中的气化

5．3．3 半焦在H2O、CO2、H2和CO多元混合气氛中的气化

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文情况

攻读硕士学位期间参加的科学研究情况