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煤焦与水蒸气及CO2共气化实验研究

2020-11-29阅读(436)

煤焦与水蒸气及CO2共气化实验研究

论文摘要

煤炭气化是煤炭洁净转化利用的关键技术和龙头技术,实际的煤气化技术一般以水蒸气配比一定量的空气或氧气作气化剂。在气化剂中加入一定量的CO2替代部分水蒸气作气化剂,生产出的浓度较高CO或者具有不同组成的煤气,可满足不同的煤气用途的需要;同时,可减少水蒸气的消耗量,也即减少污水的处理量,有着非常重要的现实意义。为此,煤炭科学研究总院青年创新基金项目（2006QN38）被批准立项,重点研究CO2替代部分水蒸气作气化剂的气化特性。本文结合该项目选取了三种不同变质程度的原煤——宝一褐煤、神东烟煤及王坡无烟煤制得的煤焦为研究对象。对三种原煤及其焦样进行了基础的煤质分析,对三种焦样还进行了比表面及孔径分布测试。在此基础上运用热分析技术,较系统且多角度地研究了三种煤焦在常压、1173～1323K,四种不同水蒸气及CO2配比下的气化反应特性。用混合反应模型求取了气化反应动力参数,分析了动力学参数间的补偿效应,探讨了煤焦与水蒸气及CO2共气化过程中的交互作用,最后进行了单一煤焦（褐煤焦）的常压管式炉实验,分析了所得煤气的煤气组成及煤气产率。根据常压热天平实验数据,分别计算了三种煤焦的固定碳转化率、反应性指数及平均比气化速率,结果表明:（1）三种煤焦的反应活性由高到低的顺序为神东煤焦＞宝一煤焦＞王坡煤焦,这与前人的研究结论——煤焦的反应性一般随煤化程度的提高而降低不相符合,分析原因认为可能是由于煤中矿物质的含量不同,所起的催化作用不同引起的。（2）随着反应温度升高,在同一反应时间下,所有实验气化剂配比条件下,三种煤焦的固定碳转化率都呈现出增加的趋势;而且,随温度升高,煤焦达到最大转化率的时间缩短。（3）随气化剂中水蒸气含量的增加、CO2含量的减少,反应进行相同时间时,除个别实验外,所有实验条件下,三种煤焦碳转化率均呈现出增加的趋势,纯水蒸气气化的碳转化率均高于纯CO2气化时的碳转化率。（4）同一气化剂配比下,三种煤焦的反应性指数、平均比气化速率均随温度的升高而增大;除个别实验外,同一气化温度下三种煤焦的反应性指数、平均比气化速率,均随气化剂中水蒸气含量的增加、CO2含量的减少而增大。（5）混合模型对实验数据的线性拟合度高,得到的有关动力学参数n,k,Ea,lnk0表明:三种煤焦的总反应级数介于0.7197～1.7846之间:三种煤焦与纯水蒸气反应的活化能介于134.8～187.5kJ/mol之间,与60%水蒸气+40%CO2反应的活化能介于119.4～180.8kJ/mol之间,与30%水蒸气+70%CO2反应的活化能介于136.9～199.7kJ/mol之间,与纯CO2反应的活化能介于126.6～230.9kJ/mol之间。三种煤焦的活化能越高,对应的指前因子也越大,两者之间存在动力学补偿效应,其分析可由过渡态理论予以解释。（6）两种配比的水蒸气及CO2混合气体作气化剂时,宝一煤焦只在气化剂配比60%H2O+40%CO2、气化温度1323K时对气化速率产生了明显的交互促进作用,其它实验条件下对气化速率的交互作用不明显;神东煤焦及王坡煤焦在所有实验条件下对气化速率均产生了明显的交互促进作用。通过对宝一褐煤焦1273K,常压管式炉实验所得煤气的气体组成分析,得到以下结论:（1）在煤焦与水蒸气及CO2共气化过程中,水蒸气及CO2均参与了反应。（2）在反应进行相同的时间时,随气化剂中水蒸气含量的降低,CO2含量的增加,混合煤气中H2的含量减少,CO的含量大致呈递增趋势,CO2含量大致呈递增趋势,CH4大致呈递减的趋势。（3）随着水蒸气含量的降低,CO2含量的增加,反应进行相同时间,所得混合煤气中H2/CO的值逐渐降低,H2+CO2的含量逐渐减少。（4）宝一煤焦与水蒸气及CO2在管式炉共气化实验中对煤气产率产生了交互促进作用,提高了煤气产率;宝一煤焦与纯水蒸气气化的煤气产率高于与纯CO2气化的煤气产率,而且宝一煤焦与纯CO2气化的煤气产率也不低。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 引言
  • 1.1 选题的背景、目的及意义
  • 1.1.1 选题的背景
  • 1.1.2 选题的目的及意义
  • 1.2 论文主要研究内容
  • 第二章 文献综述
  • 2.1 煤气化的定义及煤气化技术简介
  • 2.1.1 煤气化的定义
  • 2.1.2 煤气化技术简介
  • 2.2 煤气化的原理及影响因素
  • 2.2.1 煤气化的原理
  • 2.2.2 煤气化的影响因素
  • 2.3 煤焦气化动力学研究
  • 2.3.1 煤焦气化动力学模型研究
  • 2.3.2 煤焦与水蒸气气化反应动力学特性
  • 2气化反应动力学特性'>2.3.3 煤焦与CO2气化反应动力学特性
  • 2气化反应活性对比'>2.3.4 煤焦-水蒸气气化反应与煤焦-CO2气化反应活性对比
  • 2（或与水蒸气共）作气化剂的应用与研究'>2.4 CO2（或与水蒸气共）作气化剂的应用与研究
  • 2富氧气化的构想'>2.4.1 CO2富氧气化的构想
  • 2.4.2 新型高纯度CO气体生产技术
  • 2回收作重油造气炉的部分气化剂'>2.4.3 CO2回收作重油造气炉的部分气化剂
  • 2作输送气兼作部分气化剂'>2.4.4 气流床中使用CO2作输送气兼作部分气化剂
  • 2.5 本章小结
  • 第三章 样品的制备、分析与数据处理方法
  • 3.1 实验煤焦样品及制备
  • 3.2 实验煤焦样品的基础分析
  • 3.3 实验煤焦样品的比表面及孔径分布测试
  • 3.4 实验数据处理方法
  • 3.4.1 煤焦固定碳转化率
  • 3.4.2 反应性指数R
  • 3.4.3 平均比气化速率
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 常压热天平实验研究
  • 4.1 实验方案
  • 4.2 实验仪器
  • 4.3 内外扩散影响的消除实验
  • 4.3.1 外扩散影响的消除
  • 4.3.2 内扩散影响的消除
  • 2共气化影响因素研究'>4.4 煤焦与水蒸气及CO2共气化影响因素研究
  • 4.4.1 气化温度对煤焦反应性的影响
  • 4.4.2 气化剂配比对煤焦反应性的影响
  • 4.4.3 煤的变质程度对煤焦反应性的影响
  • 2共气化动力学'>4.5 煤焦与水蒸气及CO2共气化动力学
  • 4.5.1 气化反应动力学模型的选择
  • 4.5.2 动力学参数计算
  • 4.5.3 化学反应中的补偿效应
  • 4.5.4 反应性指数 R
  • 4.5.5 平均比气化速率
  • 2共气化交互作用的探讨'>4.6 煤焦与水蒸气及CO2共气化交互作用的探讨
  • 2共气化计算值与实验值的比较'>4.6.1 宝一煤焦与水蒸气及CO2共气化计算值与实验值的比较
  • 2共气化计算值与实验值的比较'>4.6.2 神东煤焦与水蒸气及CO2共气化计算值与实验值的比较
  • 2共气化计算值与实验值的比较'>4.6.3 王坡煤焦与水蒸气及CO2共气化计算值与实验值的比较
  • 4.6.4 三种煤焦碳转化率实验值与计算值之差的比较
  • 4.7 本章小结
  • 第五章 常压管式炉实验研究
  • 5.1 实验方案
  • 5.2 实验装置
  • 5.3 实验结果与讨论
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 结论与展望
  • 6.1 主要研究结论
  • 2共气化反应动力学'>6.1.1 煤焦与水蒸气及CO2共气化反应动力学
  • 2共气化过程中的交互作用'>6.1.2 煤焦与水蒸气及CO2共气化过程中的交互作用
  • 2共气化煤气组成和产率'>6.1.3 煤焦与水蒸气及CO2共气化煤气组成和产率
  • 6.2 主要创新点
  • 6.3 今后工作建议
  • 参考文献
  • 在学期间发表的论文
  • 致谢

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