加热煤矸石用于煤层气脱氧的工艺及动力学研究

摘要

煤层气(CMM)是一种新型的清洁能源，它是一种与煤伴生并以吸附状态的形式存储于煤层中的非常规天然气。煤层气因混有空气而在利用的过程中受到了很大的制约，常温常压下，CH4在空气中的爆炸极限为5～15％，随着温度和压力的升高，爆炸极限将迅速扩大。增加对煤层气的利用首要解决的技术问题是脱氧。目前煤层气脱氧方法有很多种，本研究采用的是将煤矸石作为煤层气脱氧材料，降低了煤层气脱氧成本，也使煤矸石得到利用，同时也减少了煤矸石对环境造成的污染。
　　本文考察了管式炉和微波加热炉加热煤矸石对煤层气脱氧两种工艺，通过改变温度、气体流速、煤矸石颗粒大小对工艺进行了优化，同时考察了煤矸石在煤层气气氛下的燃烧特性和燃烧动力学，为脱氧工艺在工业应用上提供了参考，主要研究内容和结论如下:
　　(1)脱氧过程中加热温度和气体流速都是影响脱氧效果的重要因素，随着温度的升高产品气中O2的脱除量逐渐增大，当温度过高时CH4的损失量也会明显增大。低流速时CH4的损失量也会增大，流速过高时易导致O2脱除效率降低，而煤矸石粒径的大小对脱氧效率的影响不大。
　　(2)煤层气脱氧过程中，CH4的损失主要是CH4的裂解反应所致，较高的温度有利于煤层气中的O2与煤矸石中的碳反应，但温度过高时也增强了CH4的裂解，使得CH4的回收率降低。
　　(3)管式炉脱氧实验中最佳的工艺条件是温度为650℃，流速为250ml/min;微波加热煤矸石脱氧的最佳工艺条件是温度为650℃，气体流速为300ml/min。通过加热煤矸石和加热焦炭脱氧实验的对比，认为焦炭的脱氧效率高于煤矸石的脱氧效率，但CH4的损失率也相对较大。
　　(4)煤矸石在煤层气气氛下燃烧时，Ti、Tb和Tmax的值都随着O2浓度的增加而减小，但(dW/dt)max和(dW/dt)mean的值都随着O2浓度的增大而增大。煤矸石在煤层气气氛下与在具有相同O2浓度的O2/N2气氛下燃烧时失重量存在一定的差别，煤矸石在煤层气气氛下的失重量偏小，这主要是CH4存在的影响。
　　(5)当煤矸石在煤层气气氛下燃烧时，温度较低时发生的主要是煤矸石中可燃组分与煤层气中O2的燃烧反应;当温度较高时CH4及CH4裂解产生的H2与O2的反应成为主要反应。煤矸石在不同气氛下的燃烧活化能在117.6KJ/mol与137.4KJ/mol之间，同等O2浓度下煤矸石在煤层气中的燃烧活化能高于在O2/N2气氛下的燃烧活化能。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 选题背景

1．2 煤层气概述

1．2．1 煤层气的成因及特点

1．2．2 煤层气储量

1．2．3 开采方式

1．2．4 煤层气排放量

1．3 煤层气的利用方法

1．3．1 煤层气发电

1．3．2 煤层气分离提纯甲烷

1．3．3 煤层气催化转化制合成气

1．3．4 煤层气催化燃烧

1．4 煤层气脱氧技术

1．4．1 密度分层法

1．4．2 变压吸附

1．4．3 硫化物脱氧

1．4．4 燃烧脱氧

1．4．5 催化燃烧脱氧

1．5 本文研究思路和内容

第二章 实验部分

2．1 实验原料及仪器

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验仪器

2．2 表征方法

2．2．1 X-射线衍射分析(XRD)

2．2．2 工业分析

2．2．3 元素分析

2．2．4 热重分析(TG／DTG)

2．3 实验装置

2．3．1 管式炉脱氧反应装置

2．3．2 微波加热反应装置

2．4 实验内容

2．4．1 管式炉加热实验

2．4．2 微波加热实验

2．4．3 热重实验

2．4．4 色谱分析

2．4．5 数据处理

第三章 管式炉加热煤矸石处理含氧煤层气

3．1 序言

3．2 煤矸石的燃烧特性

3．2 煤层气的脱氧

3．2．1 反应温度的影响

3．2．2 气体流速的影响

3．2．3 煤矸石粒度的影响

3．2．4 煤矸石的脱氧效率

3．3 CH4损失量

3．3．1 温度的影响

3．3．2 流速的影响

3．3．3 煤矸石粒度的影响

3．4 XRD分析

3．5 小结

第四章 微波加热煤矸石脱氧工艺条件优化

4．1 引言

4．2 微波加热煤矸石性能

4．3 煤层气脱氧

4．3．1 加热温度的影响

4．3．2 气体流速的影响

4．4 CH4损失量

4．4．1 温度的影响

4．4．2 流速的影响

4．5 煤矸石与焦炭脱氧效果比较

4．6 小结

第五章 煤矸石在煤层气下燃烧的动力学

5．1 引言

5．2 煤和煤矸石在空气下的燃烧特性

5．3 煤矸石在不同N2／O2混合气下的燃烧特性

5．4 煤矸石在煤层气下的燃烧特性

5．4．1 TGA结果分析

5．4．2 切换气氛的实验

5．5 综合燃烧特性指数

5．6 燃烧动力学

5．7 小结

第六章 总结与建议

6．1 总结

6．2 建议

参考文献

致谢

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