焦热载体下热解气氛影响低阶煤流化床热解特性的实验研究

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基于热解的分级转化分质多联产利用是煤炭清洁高效利用发展方向之一。固体热载体流化床热解由于具有传热传质强度大、煤质适应性广以及热解煤气品质高等优势得到广泛关注。浙江大学所开发的双流化床热解联产半焦焦油煤气工艺是典型的固体热载体流化床热解技术,其流化床热解过程主要特点是以高温半焦为热载体和以所产热解煤气(以CH4、CO2、H2和CO等为主要组分)为流化介质。流化气体组分和焦载体特性对煤炭流化床热解特性有较大影响,有待于进一步研究。本文依托国家重点研发计划项目,在小型流化床热解实验装置上以我国典型低阶煤-新疆润北煤为煤样,开展了不同载体(石英砂、3:1及5:1焦载体:煤)、热解温度在500800℃之间时不同热解气氛条件下的热解实验研究,以获得焦热载体条件下热解气氛影响流化床热解的特性,为下一步的技术研究开发及设计提供参考。CH4气氛下的实验结果表明,由于甲烷裂解反应及半焦的催化作用,当温度不低于600℃时,热解气中H2、C2C3产率有所增加,且随固体热载体中半焦的比例和温度的升高而升高,同时热解水及焦油产率也有所上升。不同载体条件下,CH4气氛下半焦产率和特性有明显的变化,且随温度的升高变化更加明显。受甲烷裂解反应积碳和半焦的催化作用,焦热载体条件下的半焦产率增加,且表面更加粗糙。而以石英砂为载体时,当温度不高于600℃时,CH4气体主要作为还原性气体促进煤热解,因此CH4气氛下的半焦产率较惰性气氛减少,而温度升高时受甲烷裂解积碳反应的影响,CH4气氛下半焦产率增加。CH4/CO2混合气氛下的实验结果表明,当温度不低于600℃时,由于煤半焦促进了CH4和CO2的重整反应,CO和H2产率随着CO2浓度和温度的上升而明显升高,同时热解水产率也剧烈增加。由于甲烷裂解、甲烷与二氧化碳重整及二氧化碳气化等反应,焦油产率增加,且在600℃左右达到最高的同时增加幅度也较大。CH4/CO2混合气氛下半焦产率及特性随实验温度升高变化较大;CO2浓度为6%时,CO2促进CH4裂解积碳,其产生的碳量大于CO2与碳气化反应消耗的碳量,半焦产率增加且孔隙变小,表面变粗糙;随着CO2浓度增加到15%时,CO2气化反应增强,所消耗的碳量大于甲烷裂解产生的积碳量,半焦产率反而减少且孔隙变大。CH4/H2混合气氛下的实验结果表明,较低温度(500℃)时,H2参与了煤的热解过程,由于H2提供了丰富的氢自由基,热解气中CO、CO2、C2C3各气体组分的产率均随混合气氛中H2浓度的提高而有所增加,且随着温度的升高而增加幅度更大,相应的热解水产率也明显增加。CH4/H2混合气氛下,由于H2的存在提供了丰富的氢自由基,焦油产率增加,且在热解温度600℃左右时焦油产率达到峰值。CH4/H2混合气氛下半焦产率及特性随热解温度升高变化明显。较低H2浓度(15%)时,H2的存在抑制了CH4裂解,但不能完全抑制其裂解积碳,因此半焦产率较惰性气氛下变化不太明显,但半焦孔隙变大,且表面无明显积碳;而随着H2提高时(增加到25%),H2对煤炭热解作用加强,使得半焦产率明显减少,同时半焦孔隙更大。热解气气氛下的实验结果表明,较低温度(500℃)时,热解气气氛中主要是H2影响煤热解,而随着温度的升高,热解气中各成分的复杂反应,使得热解所产生的各气体组分产率变化不同,CO、C2C3气体组分的产率都有所增加,随着温度的升高,增加趋势更加明显。受甲烷二氧化碳重整等反应影响,CO2、CH4的产率始终减少。由于CO的加入会抑制CH4和CO2之间的反应,热解气气氛下的热解水产率较CH4/CO2混合气氛下有所减少,但较惰性气氛和CH4/H2气氛增加明显。热解气气氛会促进煤热解,焦油产率较惰性气氛有所增加,且在600℃左右达到峰值。受热解气中H2的影响,较低温度(500℃)时热解气气氛下半焦产率降低与CH4/H2变化相同,随着温度的升高,受热解气中各成分的复杂反应影响,半焦产率进一步减少。
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