煤粉高温裂解特性试验及裂解气化中试系统设计与试验

摘要

煤炭既是一种能源，也是一种资源。在当前油气资源日益枯竭、煤炭利用带来的低效和环境问题不断凸显的时代大背景下，开发出一种清洁高效的煤炭利用技术是我国实现可持续发展的必由之路。相比将煤炭直接燃烧只利用其热能的传统煤炭利用方式，更加应该针对煤炭各组分的不同性质和转化特性，对煤炭资源实行分级分质梯级利用。 煤基多联产技术是以煤为原料，以煤气化技术为核心，将多种煤转化技术集合在一起，可以获取裂解焦油，提取苯、蒽、茚、荧蒽等原料用于化工合成；也可以获取裂解气用于冶金还原或民用煤气；还可以获取半焦继续燃烧发电，从而实现煤炭资源综合利用，提高能源利用效率。煤基多联产系统追求的是整体生产效益最大化和污染物排放最小化，可以实现很高的煤炭利用经济效益，这是符合我国基本国情的煤炭利用技术。其中，热解和气化技术是煤多联产系统的关键技术，本文采取了多种不同的裂解气化反应器，对煤粉定向裂解的调控机理进行了深入的研究。 首先，本文在固定床管式炉试验平台上，选取了神华煤、平庄煤、淮南煤和白音华煤作为研究对象，研究了不同温度和不同粒径对煤粉裂解行为的影响，对不同温度和粒径下半焦、焦油、裂解气进行了全面、深入的研究。裂解温度的变化范围是600~1200℃，升温梯度100℃；煤粉颗粒尺寸变化的范围为0~75μm、75~150μm、150~300μm和300~900μm。研究表明，提高裂解温度，能够增加产出裂解气的体积，裂解温度越高，裂解气的产量越大，温度从600℃升高到1200℃时，神华煤的裂解气产量从678ml增加到1932ml；平庄煤从544ml增加到了2077ml；淮南煤从347ml增加到1903ml；白音华煤从328ml增加到1918ml；高温有利于H2的产生，但是会降低CH4和CO2的产量；淮南煤在700℃裂解时，煤气热值最高，达到27.2MJ/Nm3；煤粉粒径减小有利于裂解气的产生，但是会降低CH4的产量；神华煤焦油主要是不含苯环的脂肪族化合物。 然后，为了使煤粉的热解条件更加贴近于工业实际，本文在自行设计的一维沉降炉上进行了不同运行工况下煤粉裂解行为研究。研究工况为温度、煤粉粒径、停留时间、煤粉浓度、裂解气氛等，其中，温度工况研究得最为详细。在沉降炉中裂解后，煤的平均粒径都扩大了一倍；热解对褐煤的脱水提质有明显的作用，有利于褐煤水分的脱除；随着温度的上升，裂解气H2和CO含量明显上升，而CO2和CH4含量则持续下降；热解使低品质煤的分子结构发生了芳构化，亲水基团减少，降低了复吸特性；随着裂解温度的升高，焦油成分向重质多环的芳香烃发展，脂肪链烃的含量总体上是裂解温度提升后呈现下降的趋势。 多种裂解工况的沉降炉试验结果表明，900μm以内是能够让煤粉裂解充分的比较经济的粒度，煤粉颗粒越大，CH4产量越高；停留时间的延长可以促进裂解反应的进行；煤粉浓度的变化对裂解气成分没有明显的影响；增加载气流量，煤粉失重率从3.99%升高到30.35%，裂解反应进行得更加充分；低浓度CO2的加入会抑制裂解反应，但是随着CO2浓度提升，裂解程度不断提升；在沉降炉中较低位置输入O2时，更有利于裂解炉中部分裂解气化反应的进行,加入少量的氧气可以在一定程度上增加裂解气的产量，尤其可以增加CO的产量。 最后，气化设备是煤多联产系统的核心，为了研发出一种高效率、低污染的气化设备，本文自行设计和建造了75公斤级给粉的煤粉高温裂解气化炉。气化炉采用自热式供热，不需要辅助电加热，炉高4.3米，内径0.3米，额定给粉量是75kg/h，额定给氧量是23Nm3/h，气化反应温度为1000~1400℃。本气化炉在额定工况下产生的煤气中合成气的成分占比高达90%，高位热值为10.9MJ/m3，气化炉的碳转化率达到72.20%，冷煤气效率为52.81%，每公斤煤粉产气1.25m3，合成气的产出效率为63.87%。空气气化时，热值仅为5.6MJ/m3。富氧和空气气化时，冷煤气效率有所降低，但是均在50%~53%的范围内。氧气浓度越低时，煤气的产气量增大，而煤气中的有效气产量降低。纯氧气化时，有11.18%的碳被烧掉释放热量，碳的可利用率达到88.82%；氧气的投入减少之后，更多的碳被燃烧，碳的可利用率有所降低。

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