生物质半焦催化提质煤低温热解焦油研究

摘要

中国煤炭资源相对丰富，其中低阶煤的储量约占55%。以煤热解为基础的煤炭分级转化技术是实现低阶煤清洁高效利用的重要途径。然而，目前运行的热解装置所得焦油产率较低且其重质组分含量较高，较高的重质组分不仅使焦油品质变差难以加工利用，而且易冷凝堵塞设备，影响热解系统的稳定运行。实现焦油轻质化的有效途径主要有两种，一是引入富氢物质与煤共热解，通过向煤热解中间产物供氢影响挥发分的生成获得更多轻质焦油；二是引入具有催化裂解能力的物质，催化裂解煤热解产生的挥发分，通过调控二次反应提高焦油品质。生物质富氢且热解生成的生物质半焦具有催化裂解煤热解挥发分的作用，本论文在课题组前期工作基础上，采用原料与生物质半焦隔离的方法针对共热解体系中生物质半焦催化裂解煤热解挥发分的能力及其机理进行了研究。 实验以呼伦贝尔褐煤为热解原料，选取两种具有代表性的生物质为制焦原料。对比考察了煤单独热解及两种生物质半焦作用下煤热解焦油产率、轻质化程度、馏分分布、元素分布以及热解气分布等产物产率变化规律；并对不同制备条件所得生物质半焦及使用后生物质半焦的理化结构变化进行表征分析，揭示生物质半焦作用煤热解挥发分的作用机理、影响因素等。本文所得主要结果如下： 1.生物质半焦（水稻秸秆半焦和松木屑半焦）对煤热解挥发分皆有明显的催化提质效果，焦油中轻质组分明显增加，热解气产率增加。生物质半焦（水稻秸秆半焦RSCR-650）用量考察结果表明，水稻秸秆半焦用量为煤样质量的20%时，催化提质效果最好，轻质组分收率达到最大值(5.08 wt.%，d)。 2.水稻秸秆半焦催化提质焦油后，焦油中氮、硫元素含量减少、H/C 比增加。700 oC 制备的水稻秸秆半焦催化提质效果最明显（相比石英砂），焦油中H/C摩尔比增加了22.06%的，而氮、硫元素的含量分别降低了27.88%和25.00%。提质焦油中多环芳烃含量下降，单环芳烃含量增加，主要来源于重质组分的催化裂解，生成了更多的轻质组分和气体。 3.快速热解制备的水稻秸秆半焦具有较大的比表面和较多的缺陷活性位，催化裂解效果优于慢速热解制备半焦。RSCR-650所对应的轻质组分含量为79.94 wt.%，高于RSCS-650对应的66.23 wt.%。 4.松木屑半焦及其负载金属钴后的半焦催化剂使得热解水的产率下降，焦油中酚类含量增加，负钴半焦使得CO、CO2的生成量增加，CH4减少，H2含量增加。 5.较高的表面积丰富的孔结构（前提条件）、碱（土）金属及含氧官能团（活性位）的存在是催化提质的主要原因。

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