煤焦与生物质焦共气化反应特性研究

以晋城无烟煤和生物质(肉骨粉Meat and Bone Meal:MBM)为原料,在固定床上采用快速热解法制备了煤和生物质焦样。采用扫描电子显微镜结合X射线能谱分析仪(SEM-EDX)分析了煤焦和MBM焦的表面形态和组成;在热天平上采用等温热重法进行了煤焦/MBM焦混合物的水蒸气气化研究。实验结果表明,煤/MBM焦混合物的共气化实验碳转化率高于两者不存在协同作用时的计算值,这是由于MBM焦含有较多的Na、Ca等元素,这些物质对煤焦气化起到了催化作用。当对MBM焦进行脱灰处理后,其气化反应性显著下降。混合物中MBM焦的质量分数在20%~80%时,随着MBM焦含量的增加,混合物中的煤焦反应性相应提高。     

典型城市生活垃圾一次性竹筷子水热炭结构与气化反应特性关联机制研究

本研究以MSW的典型成分一次性竹筷子(DBC)为原料,研究水热炭化(HTC)条件对DBC水热炭结构性质与气化反应特性的影响规律。结果表明,HTC提高了DBC的能量品质,水热处理后DBC-230-60的高位热值(HHV)是DBC的1.62倍,H/C和O/C从DBC的1.57和0.76下降到DBC-230-60的1.00和0.33。表征发现,水热炭和水热炭半焦的芳构化程度比DBC原样更高,水热炭的比表面积低于DBC原样,但水热炭半焦的比表面积却高于DBC原样半焦。相比于水热时间,水热温度对水热炭结构和气化反应性的影响更加显著。更高的水热温度增大了水热炭的芳构化程度,降低了水热炭的气化反应性。水热炭的气化反应性比DBC原样更差,主要是因为水热炭半焦芳构化程度增大对气化反应性的消极作用大于孔隙结构丰富的促进作用。     

神府煤焦与水蒸气、CO2气化反应特性研究

采用高温微量热天平和自制水蒸气发生装置进行神府煤焦与水蒸气和CO2气化实验,考察热解速率、不同气化剂(CO2和水蒸气)以及温度对气化反应的影响.用扫描电镜和吸附仪测定煤焦的初始结构.两种煤焦孔径为2 nm～170 nm的孔占总孔容的90%以上.神府快速煤焦(FP)与水蒸气气化活性比慢速煤焦(SP)高4.16倍,FP比SP挥发分脱除快,破坏其孔结构,减少缔合机会和二次反应.SP的BET比表面积为1.077 7 m2/g,FP的BET比表面积为1.893 9 m2/g.SP与水蒸气气化活性是CO2的9.94倍,FP与水蒸气的气化活性是CO2的7.15倍,水蒸气比CO2气化时进入的孔径范围广及水蒸气比CO2更容易解离.同种煤焦与水蒸气和CO2气化时的气化速率与转化率之间的趋势相近.用随机孔模型拟合并求取反应动力学参数,温度对SP与水蒸气、CO2反应速率,以及FP与水蒸气反应速率影响相似,而对FP与CO2反应速率影响明显比前三个反应要小.     

热解压力及气氛对神府煤焦气化反应活性的影响

利用加压热重分析仪研究了热解压力和气氛对神府煤焦CO2气化反应活性的影响。实验表明,在氮气中,加压热解导致焦油发生再沉积和再聚合反应,即焦油的二次反应,在煤焦颗粒表面上形成二次反应产物层,其活性很差,覆盖煤焦微孔的开孔,影响煤焦的初期气化反应性。氢气中热解,氢气与煤焦中的碳发生加氢气化反应, 生成甲烷和其他碳氢化合物,在煤焦颗粒上产生活性位,对煤焦起到活化作用,高压加氢热解有利于加氢气化反应和提高产物煤焦的气化反应活性。加氢气化反应可以在一定程度上消除焦油二次反应的负面影响,并活化煤焦。     

石油焦与稻草焦共气化研究

在热天平中采用等温热重法对石油焦、稻草焦、石油焦/稻草混合物以及石油焦/稻草焦混合物进行了CO₂共气化研究,实验温度900~1 050 ℃,添加稻草焦的质量比为0~0.5,考察稻草焦对石油焦的催化气化作用。结果表明,在一定气化温度下,石油焦和稻草焦混合物的共气化碳转化率高于各自气化碳转化率的简单加和,具有一定的协同效应,混合物的气化反应速率随着稻草焦添加比例的增加而升高。石油焦、稻草、稻草焦及其各个混合物的反应活性由大到小的顺序为:稻草半焦>脱灰稻草半焦>石油焦/稻草混合物>石油焦/稻草焦混合物>石油焦/脱灰稻草混合物>石油焦/脱灰稻草半焦混合物>石油焦。     

煤炭地下气化反应动力学特性的研究

煤炭地下气化过程中，高温的碳与二氧化碳和水蒸气发生的非均相反应决定了出口煤气的组分和热值。鉴于此，在煤焦与CO2和H2O（g)反应活性实验的基础上，研究了唐山刘庄煤焦与CO2和H2O（g)气化反应的动力学特性，确定了其化反应的速率表达式，得出其反应活化能分别为140．41kJ/mol和171．53kJ/mol。实验结果表明，还原带温度在1000℃-1100℃时，CO2具有较高的还原主;温度达1000℃时，H2O（g)分解可视为不可逆反应，且生成CO的反应速率明显大于生成CO2的反应速率，出口煤气组成中CO的浓度为CO2的7倍多，在上述工作的基础上，建立了“收缩反应核”模型，并分析了多相化学反应速度与温度的关系。     

模型炭催化加氢气化反应特性研究

在加压热天平中研究了活性炭/烟煤半焦/无烟煤半焦等模型炭催化加氢气化(CHG)的特性,并结合GC、BET等表征对炭的物理结构和化学反应过程的分析,初步获悉了Co对炭-氢反应的催化作用过程.结果表明,炭CHG过程中过渡金属(Fe、Co、Ni)的催化活性明显高于碱金属和碱土金属(K、CaO、MgO),过渡金属催化过程存在低...     

负载碳酸钠煤焦催化气化反应特性研究

基于热重分析仪开展负载碳酸钠神府烟煤/遵义无烟煤煤焦气化实验,并借助扫描电子显微镜和孔结构及比表面积分析仪表征焦样孔结构及表观结构变化,考察了反应温度(650-800℃)、气化剂(水蒸气、二氧化碳)及碳酸钠负载量(钠离子负载量2.2%、4.4%、6.6%,质量分数)对神府烟煤/遵义无烟煤焦样气化反应活性的影响。结果表明,碳酸钠有利于促进神府/遵义煤热解过程孔隙结构的发展。在二氧化碳气氛下,适宜催化剂负载量使神府烟煤反应活性提高,过多负载催化剂堵塞煤焦内部孔隙结构,使得气化反应活性降低,遵义无烟煤反应活性随负载量增加而提高,两者反应活性均随温度升高而提高。在水蒸气气氛下,神府烟煤/遵义无烟煤在一定条件下反应活性随催化剂负载量增大、温度升高而提高。碳酸钠的添加能够在保证气化反应性的前提下降低气化反应温度和活化能。     

程序升温表面炭气化反应动力学研究

本文用程序升温表面反应(TPSR)方法,研究了甲烷裂解沉积在不同催化剂上的炭与水蒸汽反应的动力学。结果表明,炭与水蒸汽反应属一级反应,活化能在212.0—256.7KJ/mol之间。该法简便、迅速。所获得的动力学参数对研究在不同催化剂上的炭与水蒸汽反应性能差异具有实际意义。     

加压下中国典型煤二氧化碳气化反应的热重研究

用TG-151加压热天平，测定了三种典型中国煤在二氧化碳气氛下的气化反应活性。结果表明，反应速率与温度的关系符合Arrhenius定律，同时反应速率随着压力的增加而增加，但是随着压力的增加，压力对反应速率的影响越来越小。用下式dx/dt=k0 Pco2/1 αPco2 exp(-Eα/(RT)(1-X)^n模拟实验曲线的结果表明，n值随着温度的升高而降低，随压力的增加而增大。     

流化床生物质与煤共气化特性的初步研究

在热天平和流化床实验装置中研究了生物质与煤的共气化特性,采用程序升温热重法对稻秆焦、高粱秆焦、玉米秆焦和神木煤焦以及生物质焦与煤焦混合物进行水蒸气气化研究。结果表明,生物质焦和煤焦的反应活性依次增大,其顺序为高粱焦>稻秆焦>玉米焦>神木煤焦。一定温度下,生物质焦与煤焦混合物的气化碳转化率高于各自气化碳转化率的加和。在流化床气化实验中,比较了单独煤气化与稻秆/煤混合物气化的结果,实验结果表明,混合物气化碳转化率、气体中可燃组分的体积分数均高于单独煤气化,气体中CO2的体积分数低于单独煤气化CO2的体积分数。     

烟煤-稻草混合焦样共气化过程协同行为机理研究

基于热重分析仪考察了神府烟煤焦、稻草焦和神府烟煤-稻草混合焦样气化反应活性及共气化过程协同行为。并借助电感耦合等离子体发射光谱仪和扫描电子显微镜-能谱仪联用装置探讨了共气化过程活性矿物组分的迁移转化特性,以关联解释共气化协同行为演变。结果表明,与煤焦单独气化相比,稻草焦掺混有利于提高煤焦整体气化反应活性。混合焦样共气化过程协同行为随碳转化率的提高呈先逐渐减弱的抑制作用,达到某一碳转化率(记为转折碳转化率)后呈不断增强的协同促进作用,且转折碳转化率随气化温度升高而提高。神府烟煤-稻草混合焦样共气化过程协同行为演变主要归因于共气化过程活性K和Ca转化特性的共同影响。神府烟煤-稻草混合焦样共气化整体协同行为呈协同促进作用,并随气化温度的升高而减弱。     

煤和生物质共气化制备富氢气体的实验研究

在煤处理量为8kg/h的小型流化床反应器上,以富氧空气和水蒸气为气化介质,对煤和生物质共气化制取富氢燃气进行了实验研究。在850℃～1 050℃主要考察了空气当量比、水碳比、生物质比例和生物质种类对燃气组成和气体产率的影响。结果表明,对煤和稻草混合体系,稻草质量比为33%时,空气当量比增加,CO2含量显著增加,H2、CO和CH4含量减少,气体产率增加;水碳比增加,CO2和CH4含量增加,CO和H2含量减小,气体产率先增加后减小;生物质比例增加,CO2、H2和CH4含量增加,CO含量降低,气体产率先增加后减小,当生物质比例小于50%时,可以实现体系的稳定运行。对于三种不同的煤与生物质混合体系,煤与高粱秆共气化所得煤气中H2含量最高,气体产率的顺序为:煤/木屑煤/高粱秆煤/稻草煤。实验中H2在煤气中的体积分数最高可达37.25%,最大产率为0.54m3/kg。     

生物质半焦与煤混合气化协同作用的动力学研究

在热重分析仪上进行了稻秆半焦和神府煤与CO₂非等温混合气化实验,升温速率20℃/min,终温1200℃。实验结果表明,两种燃料在热解阶段符合加权计算规律,但是在超过800℃的高温气化阶段具有显著的协同作用。与不考虑协同作用的计算结果相比,添加稻秆半焦的煤焦气化反应速率提高,气化反应结束温度降低26℃,最大失重速率提高22%。协同作用的主要原因是稻秆半焦中碱金属具有催化作用,通过动力学分析表明混合气化活化能比煤焦单独气化要低。     

神府烟煤水煤浆快速热解焦结构演化及其反应性的研究

利用高频热解装置对神府烟煤水煤浆及其原煤进行了600~1 200 ℃条件下的快速热解实验,考察了两者快速热解后的煤焦产率、焦-C产率随热解温度的变化规律.利用XRD、氮气气体吸附法、SEM等测试手段对比分析了水煤浆及煤粉热解后煤焦的微晶结构、孔隙特征及表观结构;在热重分析仪上进行CO₂气化反应活性的测定,对比了水煤浆和煤粉热解后煤焦的气化活性.实验表明,随着热解温度的升高,水煤浆和煤粉的热解焦产率、焦-C产率均逐渐降低,热解温度低于900 ℃时,两者热解焦产率、焦-C产率趋于一致,热解温度高于900 ℃时,水煤浆热解焦产率和焦-C产率明显低于煤粉热解焦;高温热解条件下,水煤浆热解焦的微晶有序化程度比煤粉热解焦略高,比表面积明显高于煤粉热解焦,水煤浆热解焦的气化活性优于煤粉热解焦.     

碱金属碱土金属对神府煤焦气化活性的影响

利用热重法和X射线衍射法,研究了神府煤热解焦CO_2气化过程中,碱金属碱土金属(AAEM)催化剂对气化活性和微晶结构的影响。比较了负载方式(先热解后负载和先负载后热解)、催化剂种类(Na、K、Ca)以及催化剂添加量(金属原子质量分数1%、3%、5%)的影响。结果表明,对碱金属催化剂,先热解后负载焦样的反应活性比先负载后热解的更好,而碱土金属负载方式对活性的影响则相反;Na和K的催化能力相接近,且两者都比Ca强;煤焦气化活性随AAEM负载量的增加而增强。负载AAEM催化剂均能抑制煤焦石墨化进程,其中,K的抑制作用最强,Ca的抑制作用最弱;抑制作用随添加量增加而增强。     

神府煤热解的结构变化及煤焦加氢反应性研究

将煤加氢过程分解为原煤热解和焦加氢两个过程,在固定床反应器内研究了煤热解和焦加氢反应。采用红外气体分析仪、拉曼光谱仪和X射线衍射仪,分析研究了煤热解过程中气体组分含量与煤焦微观结构变化的相互关系以及煤焦微观结构对其加氢反应特性的影响。结果表明,热解温度对煤焦的微观结构和加氢反应性有较大影响,400-800℃,随着温度升高,煤焦拉曼分峰面积比A_(D1)/A_G、A_(D2)/A_G、A_(D3)/A_G、A_(D4)/A_G均上升,A_G/A_(All)减小。800-900℃,A_G/A_(All)增大,无序碳的相对含量增加,石墨化进程明显。煤焦的XRD分析与拉曼光谱分析结果一致。400-800℃,随着温度升高,煤焦中碳结构晶面间距d_(002)先增加后减小,堆垛高度L_(002)增加,晶面间距与堆垛高度比d_(002)/L_(002)减小,煤焦中石墨碳结构的含量增加。800-900℃,d_(002)减小,L_(002)明显增大。采用拉曼分峰比(aA_(D1/G)+bA_(D2/G)+cA_(D3)/G+dA_(D4/G))与加氢反应性特征参数τ_(0.5)进行线性拟合,得到代表碳微晶结构加氢反应性的拟合因子,且拟合因子越大,相应碳微晶的加氢反应性越好。     

胜利褐煤半焦冷却处理对其微观结构及反应性能的影响

采用不同的冷却方式对胜利褐煤热解"热"半焦进行冷却处理,考查了冷却方式对半焦微观结构及反应性能的影响.利用特制两段新型石英反应器,在高纯氩气、400、600、800 ℃的条件下,对褐煤热解30 min制得的"热"焦,分别浸入室温、干冰及液氮环境中得到冷态半焦,然后在15%水蒸气、900 ℃、10 min的条件下对冷态半焦进行非原位气化反应.为了比较,同样热解条件下制得的"热"半焦不经冷却,通过直接切换反应气氛为15%水蒸气进行原位气化(气化条件与非原位气化相同).利用TGA、SEM、BET和Raman光谱仪对半焦反应性和微观结构进行表征和分析.结果表明,"热"焦的水蒸气原位气化半焦产率低于冷态半焦的非原位气化.冷却处理对半焦的孔结构影响较大,随着冷却速率的增大,半焦比表面积及总孔容积显著降低,但对半焦的化学结构(芳环体系和含氧官能团)的影响非常小.冷却速率越大,半焦的反应性越低,冷态半焦反应性能降低主要由于冷却对半焦孔结构造成的不可逆转的破坏.