压力对褐煤快速热解特性影响的研究

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褐煤热解技术是实现褐煤资源清洁高效利用的关键技术之一。压力是影响褐煤热解特性的重要因素,掌握压力对热解产物分布特性的影响,对合理利用褐煤资源具有重要的意义。本文利用高压热解装置和热解模型对两种褐煤的热解过程进行了系统的研究,重点分析了压力对热解产物特性的影响规律和机理。研究了热解温度在600-900℃内压力对热解产物分布的影响规律。高压热解实验研究的结果表明:随着热解压力的升高,热解挥发分产率先升高后下降,900℃时,当热解压力从0.1MPa提高到2MPa,印尼褐煤的总挥发分产率由58.45wt%增加到79.31wt%,热解压力从2 MPa增加到4 MPa时,总挥发分产率减少到59.33 wt.%,这归因于随着压力的升高,挥发分在半焦中停留时间增加,促进二次热裂解反应;同时压力增加提高了褐煤内部的传质阻力,使挥发分的生成受到抑制,从而降低了挥发分产率。气体的产率随热解压力的升高呈先上升后下降的趋势,但焦油产率、半焦产率呈先下降后上升的趋势。热解得到的气体产物主要为H2、CO、CO2和CH4,其中H2是含量最丰富的组分。在900℃、0.1 MPa时,YNHM热解产生的H2气体产率最高,为48.57 vol.%,新疆褐煤(XJHM)热解产生的H2气体产率最高为60.27 vol.%。随着压力的升高,热解过程中释放甲氧基,CH4浓度会随之升高。褐煤高压快速热解可以实现选择性生产富H2或富CH4的热解气。压力的升高促进了热解焦油中多环芳香烃的生成,萘及其衍生物、芴、菲、芘和荧蒽等多环芳烃的产率增加。在高压热解条件下,褐煤大分子结构中单环单元的热裂解更充分,从而促进苯自由基和萘自由基的形成。这些自由基通过脱氢-乙炔加成机制进一步生长,形成具有2-5个环的多环芳烃。在扫描电镜下可以观察到半焦的形状随着压力的升高,由不规则形变为球形,并且半焦表面由粗糙逐渐变得光滑。利用CPD模型对褐煤高压热解过程进行了模拟。通过用非线性拟合法和13C NMR法得到的化学结构参数代入CPD模型进行褐煤挥发分产率的预测,将实验值与预测值对比分析,表明CPD模型适合用于高温高压快速热解过程的分析。采用13C NMR方法测定化学结构参数后输入CPD模型,预测结果在褐煤热解挥发分产率的变化趋势和数值上更接近实验结果。CPD模拟的结果表明,褐煤的总挥发分产率随压力的增加呈下降趋势,而气体产率有所增加。
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