煤-煤气微波强化催化共热解实验研究

摘要

“富煤、贫油、少气”的能源分布格局决定了我国能源结构中煤炭仍将长期占据主导地位。煤炭占我国一次能源消费总量的70%以上，其中低变质煤炭资源约占已探明全部煤炭资源储量的48%。低变质煤进行热解生产兰炭、煤焦油及煤气被认为是其最佳利用方式之一。国内现有的主流热解工艺多采用煤气与空气混合燃烧直接加热的传统方法，普遍存在粉煤利用率低、生产周期长、焦油产率低、煤气品质差、环境污染严重等突出问题。因此，如何实现低变质粉煤的高效清洁转化利用仍是当前业界的研究热点。 近年来，煤微波热解技术作为低变质煤清洁高效转化综合利用的一种新途径，具有热解速度快、焦油产率及质量高、煤气中氢气、甲烷和一氧化碳等有价成分含量高等明显优势。本文充分结合煤的微波热解与煤的催化加氢热解技术优点，提出以低变质粉煤为原料，通过与催化剂的机械混合成型，利用微波热解产生的“富氢”尾气，实现煤-煤气微波强化催化共热解。通过与常规热解实验对比研究，初步探讨了微波场中催化剂的作用机理；分别进行了以过渡金属化合物二硫化钼和廉价黄铁矿为代表性催化剂的低变质煤微波热解实验，考察了催化剂添加量、成型压力、循环煤气流量和单质硫添加量等各因素对热解产物收率及组成的影响，得到以下主要结论： （1）相比于常规热解，煤的微波热解过程升温速度更快。煤-煤气常规热解、煤-煤气微波热解、煤-煤气-MoS2常规热解、煤-煤气-MoS2微波热解四种工艺中，煤-煤气-MoS2微波热解工艺所得液态产物收率最高，煤焦油中轻质油组分含量高，稳定性强；热解煤气中有价组分（CH4+CO+H2）体积百分含量最高，而H2体积百分含量相对较低，表明微波环境和催化剂 MoS2的存在均有利于提高煤-煤气热解过程中氢气利用率、改善煤气品质、提高焦油收率和质量。 （2）以液态产物收率及煤焦油质量由高到低的角度综合评价，四种热解工艺选择的优先顺序依次为：煤-煤气-MoS2微波热解>煤-煤气-MoS2常规热解>煤-煤气微波热解>煤-煤气常规热解。 （3）煤-煤气微波共热解过程中，MoS2催化剂作用体现在：MoS2在微波场中作为一种具有吸波能力的“敏化剂”，微波能转化为热能，金属活性位点加氢能力变强，通过微波诱导催化反应，低变质煤催化加氢热解能力增强，煤炭转化率、液态产物收率得以有效提高。 （4）在 MoS2相对粉煤添加比例为8.3%，煤块成型压力为7Mpa，循环煤气流量0.6L/min，单质硫添加比为0.25%的较优工况下，微波热解所得液态产物收率最高，达到28.4%，兰炭收率为64.0%，煤气收率为7.6%，且煤气中的有价组分（CH4+CO+H2）体积百分含量最高达79.04%，煤气热值达15.14MJ/m3；煤焦油中轻质油组分含量高达67.55%。 （5）在 FeS2相对粉煤添加比例为12.0%，煤块成型压力为7Mpa，循环煤气流量0.6L/min，单质硫添加比为0.25%的较优工况下，微波热解所得液态产物收率最高，达到27.2%，兰炭收率为64.1%，煤气收率为8.7%，且煤气中的有价组分（CH4+CO+H2）体积百分含量最高达75.65%，煤气热值达13.05MJ/m3；煤焦油中轻质油组分含量高达48.17%。 （6）煤-煤气微波催化共热解过程中少量 S的加入可有效提高液体产物收率，提高轻质油含量。但 S的过量加入会引起催化剂活性位被过量 H2S掩盖而中毒，导致热解效果变差。 （7）在煤-煤气微波催化共热解中，MoS2比FeS2的催化效果更好，共热解所得液体产物收率普遍较高，焦油中轻质油含量较高。

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