褐煤-CO2气化反应特性研究

摘要

褐煤是一种煤化程度较低的低阶煤，其水分、挥发分以及灰分含量通常较高，热值较低，直接燃烧的热转化效率低。褐煤气化是一种很有潜力的清洁利用方式，但现有水煤浆气化存在煤浆浓度低、气化系统效率低等问题。液态CO2煤浆技术可显著提高褐煤液态CO2煤浆浓度，而且CO2的气化温度和气化潜热均远低于水，能有效提高气化系统热效率，具有高效清洁低碳的优势。
　　本文采用内蒙古白音华、乌拉盖和云南昭通三种褐煤，对褐煤在CO2气氛中的气化反应机理进行研究，为液态CO2煤浆技术的实际应用提供理论依据。
　　首先，通过热重分析法（TGA）在不同的升温速率下对三种褐煤进行了CO2气化反应特性研究，研究了升温速率、气化剂种类与浓度、煤预处理方式等因素对气化反应过程的影响。结果表明，褐煤CO2气化反应过程分为干燥脱水、热解裂解和煤焦气化三个阶段，不同的升温速率对于第二和第三阶段的影响并不大。高升温速率下，第三阶段（煤焦气化）的失重率更大，碳转化率越高。不同气体氛围对第二阶段（热解）几乎没有影响，而二氧化碳流量增加对第三阶段有促进作用。此外，不同的煤预处理对不同种类的褐煤的影响各不相同，煤化程度低的煤种受预处理的影响更大。
　　其次，本文采用单一扫描速率法对TGA数据进行分析。通过微分法计算气化过程中各个反应阶段的动力学三因子，并建立了褐煤-CO2气化反应动力学模型。利用“y(a)a”标准曲线法确定反应的最概然机理函数，再根据机理函数求解活化能和指前因子，并将气化反应动力学模型与实验数据进行了对比分析。结果表明，本文所采用的方法能够很好的描述气化过程中的第一阶段和第三阶段反应，即干燥脱水阶段和煤焦气化阶段，而热解阶段反应机理则非常复杂。
　　最后，利用热重—气相色谱联机方法（TG-GC）研究了在30℃/min升温速率下三种褐煤的CO2气化反应产物特性。对比研究了三种褐煤的CO2气化反应过程中主要气体产物（主要为CH4、CO、H2）的析出规律，分析了几种主要气体产物的析出速率以及所对应温度范围。结果表明，各产物的反应生成和析出温度相互叠加，相互影响。但不同褐煤的同种气化产物的析出开始温度和结束温度都有所不同。