煤粉高温裂解以及半焦的富氧燃烧基础试验研究

摘要

在未来较长的一段时期内，我国能源结构仍将以煤为主。在煤炭领域，我国的国情是储量中约有一半为低品质煤，煤炭利用过程中存在低效率、高污染的情况。因此，开发煤炭分级利用多联产技术和富氧燃烧技术是我国解决能源问题的重要手段。煤炭分级利用多联产技术可实现煤炭的分级优化利用，煤炭中高品质组分作为高附加值的化工原料使用，低品质的半焦用于直燃发电、制冷、供热。富氧燃烧技术拥有火焰温度高、低成本捕集CO2、低NOX排放等优势，可以高效燃烧半焦并实现低污染物排放。本文旨在研究煤粉高温裂解与半焦富氧燃烧的基础试验特性，为煤炭分级利用以及半焦富氧燃烧的进一步工业应用提供基础研究数据。
　　论文选取神华煤为原料，在沉降炉上开展高温裂解试验，得到温度和给料量对裂解反应的影响。温度是裂解的主要影响因素，升温使裂解反应加速，加速煤粉中水分和挥发分析出，促进高品质半焦、煤气的生成，促进了裂解产物之一的焦油向煤气的转化，提高了煤气的品质。同时，高温裂解使半焦的孔隙结构得到不断发展，反应活性增强。
　　以高温裂解制取的半焦为原料，在热重平台和水平管式炉上开展了富氧燃烧试验，分析反应气氛、O2浓度等对半焦富氧燃烧特性的影响。O2/CO2气氛下，O2在CO2的扩散速率低于N2，CO2气体的比热容大于N2，半焦的反应速率降低，反应时间延长，燃烧特性指数和可燃性指数变低，半焦燃烧反应特性变差，CO2气体易与碳发生气化反应生成大量CO气体。
　　当O2浓度逐渐升高，半焦的热重曲线/微商热重曲线向低温区偏移，着火温度、最大反应速率温度、燃烬温度、活化能等不断下降，燃烧特性特性和可燃性指数逐渐升高，最大反应速率升高，反应时间缩短，半焦的燃烧特性变好。在3％O2浓度的贫氧状态下，贫氧状态加剧碳与CO2的气化反应，抑制碳与O2的燃烧反应，CO体积分数曲线出现释放峰，半焦燃烧反应速率降低，半焦中碳向CO的转化率升高，反应时间延长。
　　管式炉温度和低O2浓度对半焦的燃烧特性有较大影响。管式炉温为900℃或3%O2浓度条件时，半焦的燃烧反应速率低，碳与CO2的气化反应占主导，燃烧放热较少，最高燃烧温度低，反应时间较长，CO曲线存在明显释放峰。升温以及提高O2浓度可以改善半焦的燃烧特性并减少CO的排放。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1全球和我国的能源形势

1.2 煤炭分级多联产技术

1.3 富氧燃烧技术

1.4 本文的主要研究内容

2.试验设备与方法

2.1 试验设备

2.2 试验流程介绍

2.3 试验工况设计

3.高温裂解产半焦及煤气特性研究

3.1前言

3.2半焦理化特性

3.3 煤气组分特性

3.4 半焦孔隙特性

3.5小结

4.煤焦的热重富氧燃烧特性研究

4.1 前言

4.2 热反应动力学求解方法简介

4.3 反应气氛的影响

4.4 O2浓度的影响

4.5 半焦裂解温度的影响

4.6 小结

5.煤焦的管式炉富氧燃烧特性研究

5.1 前言

5.2 反应气氛的影响

5.3 管式炉温度的影响

5.4 O2浓度的影响

5.5 小结

6.结论

6.1 全文总结

6.2 论文创新点、不足与未来展望

作者简历

参考文献