不同气氛下煤矸石热解特性及热解动力学机理

论文摘要

煤矸石是目前排放量最大的工业固体废弃物之一,具有低挥发分、高灰分、低热值和难燃烧等特点,从而限制了煤矸石大规模能源化利用,采用低热值气体与煤矸石混合燃烧可有效提高其燃烧效果。在燃烧过程中,低热值气体组分对煤矸石热解特性有重要影响,合理气氛下煤矸石的热解对提高燃烧效率有重要作用。目前,关于这方面的研究比较少,对煤矸石在不同气氛下的热解特性与机理也未被充分的认识和理解,阻碍了煤矸石能源化技术的进一步应用和发展,因此,研究煤矸石在不同气氛下的热解特性及动力学机理是非常必要的。于此,本文在深入分析煤矸石和低热值气体利用现状和形势的基础上,对煤矸石特性进行了分析,考察了煤矸石组成成分的特点。采用非等温热重法对4种不同产地的煤矸石进行了热重试验分析。研究了不同煤矸石种类,不同升温速率,不同试样粒径,不同压力和CO2或CH4与N2的混合比例为10%,30%,60%,100%的混合气氛等试验参数对煤矸石热解特性的影响,并在此基础上,进行了煤矸石在不同气氛下热解动力学机理研究,得出以下主要结论:(1)不同产区的煤矸石成分差别比较大。其中,煤矸石挥发分含量在9.69%～13.26%,固定碳含量在6.35%～30.3%,灰分含量在54.67%～82.4%。煤矸石C元素含量在39%～55%,H元素含量在1.1%～2.3%,氧含量在1.9%～6.5%之间。(2)煤矸石在热解过程中随温度的升高经历三个阶段:低温失重阶段,主要热分解阶段和二次脱气阶段。热解温度是影响煤矸石热解反应最主要的因素。(3)煤矸石热解的挥发分初析温度、挥发分析出最大速率及其对应的温度,以及挥发分析出特性指数D随煤矸石种类、样品粒径、热解升温速率、压力和气氛的不同差别较大。(4)不同气氛对煤矸石的热解影响是分段进行的。不同的温度段有不同影响程度,提出可用N2气氛下与其它气体组分下热解失重百分率之差ΔW =ΔWN 2?ΔW气氛来判定不同气氛对煤矸石热解转化率的影响。(5)CH4气氛对煤矸石的热解促进作用存在着一个最佳温度段△Topt。CH4在析碳温度之前,对煤矸石的热解均表现为促进作用。(6)不同气氛下煤矸石热解过程很复杂,均不能用一步反应描述。在煤矸石热解第一阶段,热解反应服从三维球形扩散模型(D4模型);热解第二阶段受液化反应的控制,热解过程服从级数为2的化学反应(F2模型)模型;热解第三阶段根据煤种的不同而不同,含碳量高的煤矸石热解过程服从级数为2的化学反应模型(F2模型),含碳量低的煤矸石(C<10%)服从级数为1的化学反应模型(F1模型)。(7)不同气氛下,煤矸石活化能均呈现出在热解第一、第三阶段较小,第二阶段最大现象。不同煤矸石在相同的热解阶段的活化能差别较大。(8)CO2气氛下,煤矸石活化能在热解第一、第二阶段随着CO2浓度的增高而增大,第三阶段随着CO2浓度的增高而降低。而在CH4气氛下,活化能在热解的第一阶段随着CH4浓度的增高而降低,在第二阶段活化能随CH4浓度增加而升高。本文通过煤矸石在不同气氛下的热解特性的研究,为煤矸石与低热值气体的混合热解技术的发展建立了一定的理论基础,也为今后的深入研究提供了有价值的参考依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及课题来源
• 1.2 煤矸石和低热值气体利用现状及研究进展
• 1.2.1 煤矸石利用现状及研究进展
• 1.2.2 低热值气体利用现状及研究进展
• 1.3 煤矸石热解过程
• 1.4 热解机理研究现状
• 1.5 热解动力学模型研究进展
• 1.6 热解研究中存在的主要问题
• 1.7 本课题的主要研究内容
• 2 试验系统和试验内容
• 2.1 试验原理
• 2.2 试验系统
• 2.2.1 试验设备
• 2.2.2 试验方法
• 2.2.3 试验影响因素分析
• 2.3 试验内容
• 3 煤矸石特性分析
• 3.1 煤矸石工业分析
• 3.1.1 国标GB/T212-2001 法测定结果及分析
• 3.1.2 热天平TG 法测定结果及分析
• 3.1.3 二种不同方法测定煤矸石的工业分析结果对比
• 3.2 元素分析
• 3.2.1 试验设备
• 3.2.2 试验结果及分析
• 3.3 本章小结
• 4 煤矸石热解特性热重法研究结果及分析
• 4.1 煤矸石热解转化率的计算方法
• 4.2 热解曲线特征参数
• 2）气氛下煤矸石的热解特性结果及分析'>4.3 氮气（N₂）气氛下煤矸石的热解特性结果及分析
• 4.3.1 不同产地煤矸石热解特性
• 4.3.2 不同升温速率下煤矸石热解特性
• 4.3.3 不同粒径煤矸石热解特性
• 4.3.4 不同压力下煤矸石热解特性
• 2）气氛下煤矸石热解特性结果及分析'>4.4 二氧化碳（CO₂）气氛下煤矸石热解特性结果及分析
• 4）气氛下煤矸石热解特性结果及分析'>4.5 甲烷（CH₄）气氛下煤矸石热解特性结果及分析
• 4.6 不同气氛下煤矸石热解特性结果分析
• 4.7 本章小结
• 5 煤矸石热解失重动力学机理研究
• 5.1 热解动力学机理模型的建立
• 5.1.1 动力学模型机理方程
• 5.1.2 动力学机理模型的建立
• 5.1.3 动力学模型机理方程g（α）的选择
• 5.2 热解动力学参数的求解结果及分析
• 2） 气氛下煤矸石热解动力学参数'>5.2.1 氮气（N₂） 气氛下煤矸石热解动力学参数
• 2）气氛下煤矸石热解动力学参数'>5.2.2 二氧化碳（CO₂）气氛下煤矸石热解动力学参数
• 4）气氛下煤矸石热解动力学参数'>5.2.3 甲烷（CH₄）气氛下煤矸石热解动力学参数
• 5.3 本章小结
• 6 结论与建议
• 6.1 本文主要结论
• 6.1.1 煤矸石特性分析
• 6.1.2 煤矸石热重法热解特性
• 6.1.3 煤矸石热解机理
• 6.2 进一步研究工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A.各阶段拟合数据及分析结果表
• B. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录