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煤氣化反應(yīng)動力學及渣中殘?zhí)挤磻?yīng)活性研究

來源:論文學術(shù)網(wǎng)
時間:2024-08-18 22:02:43
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煤氣化反應(yīng)動力學及渣中殘?zhí)挤磻?yīng)活性研究【摘要】:煤氣化動力學作為煤氣化技術(shù)的基礎(chǔ),其研究的深入與否,直接影響到煤的潔凈轉(zhuǎn)化和利用,掌握各種因素對煤氣化反應(yīng)的影響并建立準確的動力學模

【摘要】:煤氣化動力學作為煤氣化技術(shù)的基礎(chǔ),其研究的深入與否,直接影響到煤的潔凈轉(zhuǎn)化和利用,掌握各種因素對煤氣化反應(yīng)的影響并建立準確的動力學模型,對解決煤氣化技術(shù)面臨的一些問題具有重要意義。因此,研究煤氣化動力學具有重要的意義。本論文研究的目的在于掌握中國典型煤種及氣化渣中殘?zhí)荚诟邷馗邏簵l件下熱解及氣化反應(yīng)過程中的物理和化學結(jié)構(gòu)變化,探討煤焦在復(fù)雜氣氛下的反應(yīng)規(guī)律及機理,建立適應(yīng)于高溫高壓不同反應(yīng)氣氛的氣化反應(yīng)動力學模型,為開發(fā)適合中國煤種的大規(guī)模高效氣化技術(shù)提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。 本文以中國典型煤種(神府煤、北宿煤、淮南煤和貴州煤)及其氣化殘渣為研究對象,研究高溫高壓條件下煤焦與CO2、水蒸汽的氣化反應(yīng)規(guī)律、影響煤焦氣化反應(yīng)活性的因素,探尋煤焦的氣化反應(yīng)活性與煤種之間的定量關(guān)系,建立煤焦氣化反應(yīng)的動力學模型;探討氣化渣中殘?zhí)嫉臍饣磻?yīng)特性、及渣/灰的熔融對煤焦氣化反應(yīng)的影響。主要研究內(nèi)容可分為如下幾點: (1)考察了熱解溫度、熱解速率及灰的熔融對煤焦孔隙結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)四種典型煤種及其煤焦的N2吸附/脫附等溫線的類型可知:原煤顆粒以層狀孔為主,快速熱解煤焦以筒狀孔為主,而慢速熱解煤焦以瓶狀孔為主?;业娜廴谔匦燥@著影響慢焦的孔隙結(jié)構(gòu),堵塞煤焦的部分孔隙,降低煤焦的比表面積,而快焦的孔隙結(jié)構(gòu)受揮發(fā)分的影響更為顯著。通過CO2吸附分析得到的原煤及煤焦的微孔比表面積遠大于由N2吸附分析得到的大中孔比表面積。煤焦孔隙結(jié)構(gòu)特點是:0-1nm的微孔為主,2-200 nm的大中孔為輔。運用分形維數(shù)描述了煤焦的孔隙及表面特性。 (2)建立了煤焦氣化反應(yīng)的正態(tài)分布模型,能較好地描述煤焦的氣化反應(yīng)速率隨時間的變化關(guān)系。研究了高溫高壓下神府、貴州和淮南煤焦與CO2、水蒸汽的氣化反應(yīng);考察了不同分壓下CO和H2對煤焦氣化反應(yīng)的抑制作用;通過L-H模型和冪函數(shù)模型對煤焦的氣化反應(yīng)動力學數(shù)據(jù)擬合,得到了煤焦氣化反應(yīng)的L-H模型和冪函數(shù)模型參數(shù)。 (3)定量分析了煤焦的氣化反應(yīng)活性與原煤中固定碳、揮發(fā)分、灰分及灰分組成之間的關(guān)系,煤焦-CO2和煤焦-水蒸汽氣化反應(yīng)與原煤組成的關(guān)系存在一致性。將煤焦的氣化反應(yīng)性與煤種組成相關(guān)聯(lián),定義了反應(yīng)特性常數(shù)Rc=(Vm)/(FC)·B·100,建立了煤焦的氣化反應(yīng)活性和煤種之間的定量關(guān)系,可由式R0.5=A·RcD表示。為判別煤種氣化反應(yīng)活性的優(yōu)劣,提供了一個簡單而實用的準則。 (4)考察了粒度對煤焦氣化反應(yīng)的影響,并采用縮芯反應(yīng)模型對煤焦-CO2和煤焦-水蒸汽的氣化反應(yīng)過程進行了分析。在850-1000℃,四個粒度范圍(20-40目、60-80目、100-120目和大于325目)的煤焦與C02、水蒸汽氣化反應(yīng)均為化學反應(yīng)控制。在低溫化學反應(yīng)控制區(qū),得到了煤焦-C02和煤焦-水蒸汽氣化反應(yīng)的表觀活化能,分別為148-171 kJ/mol和149-190 kJ/mol;在高溫擴散控制區(qū),分析了粒度對煤焦氣化反應(yīng)的影響。 (5)研究了堿金屬Na和K對煤焦的氣化催化作用;在熱解階段,堿金屬的存在導(dǎo)致更加無序的碳微晶結(jié)構(gòu)的形成,生成煤焦的氣化反應(yīng)活性更好。定量地表示了堿金屬在熱解和氣化階段對煤焦氣化催化作用的貢獻。將煤焦的催化氣化反應(yīng)定義為催化反應(yīng)和非催化反應(yīng)的共同作用,建立了煤焦的催化氣化反應(yīng)模型,模型能較好地描述煤焦的催化氣化反應(yīng)過程;通過氣化動力學參數(shù)△rcg,0,可判定氣化催化作用的大小 (6)以多組氣流床煤氣化的粗渣和細渣為對象,著重研究干粉煤氣化生成的粗、細渣殘?zhí)嫉臍饣磻?yīng)活性,并與由滴管爐快速熱解制得的煤焦的氣化反應(yīng)活性進行了比較;結(jié)合SEM和XRD/EDX,深入研究了影響渣中殘?zhí)細饣磻?yīng)活性的主要因素,如渣的表面孔隙結(jié)構(gòu)及渣中殘?zhí)嫉氖潭?、礦物質(zhì)晶體存在形式等。粗渣含有的具有催化作用的金屬元素Al、Ca、Fe和Mg較細渣豐富,以及碳的石墨化程度較細渣低是粗渣殘?zhí)嫉臍饣磻?yīng)活性高于細渣的主要原因。 (7)將原煤與氣化渣和煤灰以不同比例混合,在渣/灰的熔融溫度范圍(950-1380℃),考察了渣/灰熔融特性對煤焦氣化反應(yīng)的影響。渣/灰熔融會堵塞煤焦的部分微孔,顯著降低煤焦的比表面積,阻礙氣化劑與煤焦顆粒的接觸,抑制煤焦氣化反應(yīng)的進行。 【關(guān)鍵詞】:煤氣化 反應(yīng)活性 催化氣化 殘?zhí)?/strong> 灰熔融
【學位授予單位】:華東理工大學
【學位級別】:博士
【學位授予年份】:2011
【分類號】:TQ541
【目錄】:
  • 摘要5-7
  • Abstract7-13
  • 符號說明13-15
  • 第1章 緒論及文獻綜述15-36
  • 1.1 緒論15-17
  • 1.1.1 研究背景15-16
  • 1.1.2 研究內(nèi)容16-17
  • 1.1.3 創(chuàng)新點17
  • 1.2 文獻綜述17-36
  • 1.2.1 煤氣化技術(shù)進展17-18
  • 1.2.2 煤氣化反應(yīng)機理18-21
  • 1.2.3 煤的性質(zhì)對氣化反應(yīng)的影響21-24
  • 1.2.4 制焦條件對煤焦氣化反應(yīng)的影響24-26
  • 1.2.5 氣化條件對煤焦氣化反應(yīng)的影響26-27
  • 1.2.6 灰的熔融特性對煤焦氣化反應(yīng)的影響27-28
  • 1.2.7 氣化反應(yīng)動力學模型28-33
  • 1.2.8 煤氣化反應(yīng)動力學實驗研究33-36
  • 第2章 煤焦的孔隙結(jié)構(gòu)分析及分形特征研究36-54
  • 2.1 引言36
  • 2.2 實驗部分36-38
  • 2.2.1 實驗煤樣36-37
  • 2.2.2 煤焦的制備37-38
  • 2.2.3 N_2和CO_2吸附分析實驗38
  • 2.3 結(jié)果和討論38-48
  • 2.3.1 煤的灰熔融特性38
  • 2.3.2 N_2測量結(jié)果38-43
  • 2.3.3 CO_2測量結(jié)果43-47
  • 2.3.4 CO_2和N_2測量方法和結(jié)果比較47-48
  • 2.4 煤焦的分形特征48-53
  • 2.4.1 分形維數(shù)的計算48-51
  • 2.4.2 熱解條件對煤焦分形維數(shù)的影響51
  • 2.4.3 分形維數(shù)和碳含量之間的關(guān)系51-52
  • 2.4.4 分形維數(shù)和灰含量之間的關(guān)系52-53
  • 2.5 本章小結(jié)53-54
  • 第3章 煤焦-CO_2和煤焦-水蒸汽氣化反應(yīng)動力學分析54-68
  • 3.1 引言54
  • 3.2 實驗部分54-56
  • 3.2.1 實驗樣品54
  • 3.2.2 實驗儀器和方法54-56
  • 3.2.3 實驗分析方法56
  • 3.3 煤焦-CO_2氣化反應(yīng)動力學56-64
  • 3.3.1 隨機孔模型56
  • 3.3.2 正態(tài)分布模型56-57
  • 3.3.3 隨機孔模型和正態(tài)分布模型的比較57-60
  • 3.3.4 煤焦-CO_2加壓氣化反應(yīng)60-64
  • 3.4 煤焦-水蒸汽氣化反應(yīng)動力學64-67
  • 3.4.1 溫度對煤焦-水蒸汽氣化反應(yīng)的影響64-65
  • 3.4.2 水蒸汽分壓對煤焦-水蒸汽氣化反應(yīng)的影響65-66
  • 3.4.3 氫氣對煤焦-水蒸汽氣化反應(yīng)的抑制66-67
  • 3.5 本章小結(jié)67-68
  • 第4章 氣化反應(yīng)活性與煤種之間的定量關(guān)系68-78
  • 4.1 引言68
  • 4.2 實驗部分68-70
  • 4.2.1 煤樣的選取及煤焦的制備68-69
  • 4.2.2 煤焦的氣化反應(yīng)實驗69-70
  • 4.3 結(jié)果和討論70-74
  • 4.3.1 煤焦的氣化反應(yīng)活性與揮發(fā)分含量的關(guān)系70-71
  • 4.3.2 煤焦的氣化反應(yīng)活性與礦物質(zhì)含量的關(guān)系71-73
  • 4.3.3 煤焦的氣化反應(yīng)活性和固定碳含量的關(guān)系73-74
  • 4.4 氣化反應(yīng)活性與煤種之間的定量關(guān)系74-76
  • 4.5 煤焦-CO_2和煤焦-水蒸汽氣化反應(yīng)活性的比較76-77
  • 4.6 本章小結(jié)77-78
  • 第5章 粒度對神府煤焦CO_2、水蒸汽氣化反應(yīng)的影響78-89
  • 5.1 前言78
  • 5.2 實驗78
  • 5.2.1 樣品制備78
  • 5.2.2 氣化實驗78
  • 5.3 結(jié)果和討論78-88
  • 5.3.1 縮芯反應(yīng)模型78-81
  • 5.3.2 粒度對煤焦氣化反應(yīng)的影響81-84
  • 5.3.3 粒度對煤焦CO_2和煤焦-水蒸汽氣化反應(yīng)性差別的影響84-85
  • 5.3.4 擴散對氣化反應(yīng)的影響85-88
  • 5.4 本章小結(jié)88-89
  • 第6章 堿金屬和灰分對煤焦氣化的催化作用及催化氣化模型89-102
  • 6.1 引言89
  • 6.2 實驗部分89-92
  • 6.2.1 實驗樣品89
  • 6.2.2 樣品制備89-90
  • 6.2.3 原煤熱解和煤焦氣化實驗90
  • 6.2.4 XRD測試90-91
  • 6.2.5 BET表面積測量91
  • 6.2.6 煤焦中堿金屬的測定91-92
  • 6.3 結(jié)果與討論92-100
  • 6.3.1 煤樣的熱解92
  • 6.3.2 煤焦的XRD分析92-94
  • 6.3.3 煤焦的氣化反應(yīng)活性94-96
  • 6.3.4 催化氣化動力學模型96-99
  • 6.3.5 氣化反應(yīng)活性和碳微晶結(jié)構(gòu)的關(guān)系99-100
  • 6.4 本章小結(jié)100-102
  • 第7章 氣化灰渣中殘?zhí)嫉臍饣磻?yīng)活性研究102-112
  • 7.1 引言102
  • 7.2 實驗部分102-104
  • 7.2.1 渣樣的準備102-103
  • 7.2.2 煤焦的制備103
  • 7.2.3 CO_2氣化反應(yīng)實驗103
  • 7.2.4 渣樣的特性分析103-104
  • 7.3 結(jié)果和討論104-111
  • 7.3.1 元素分析104
  • 7.3.2 氣化反應(yīng)活性分析104-106
  • 7.3.3 氣化反應(yīng)動力學模型106-108
  • 7.3.4 氣化渣的形態(tài)108-111
  • 7.4 本章小結(jié)111-112
  • 第8章 渣/灰的熔融特性對煤焦氣化反應(yīng)的影響112-123
  • 8.1 引言112
  • 8.2 實驗部分112-114
  • 8.2.1 樣品的制備112-114
  • 8.2.2 氣化實驗114
  • 8.2.3 熱分析實驗114
  • 8.2.4 樣品分析114
  • 8.3 結(jié)果與討論114-122
  • 8.3.1 樣品的XRD分析114-115
  • 8.3.2 樣品的灰熔融特性115
  • 8.3.3 灰熔融特性對煤焦孔隙結(jié)構(gòu)的影響115-117
  • 8.3.4 樣品的DSC和TG分析117-118
  • 8.3.5 煤焦的氣化反應(yīng)活性118-119
  • 8.3.6 煤焦氣化反應(yīng)過程研究119-122
  • 8.4 本章小結(jié)122-123
  • 第9章 全文總結(jié)與展望123-126
  • 9.1 總結(jié)123-125
  • 9.2 展望125-126
  • 參考文獻126-137
  • 致謝137-138
  • 附錄 博士期間發(fā)表的論文138


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