减压及内构件对固定床煤热解二次反应抑制作用

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煤热解是一种相对经济的煤清洁利用技术,从煤中提取煤焦油并提高其收率和品质,在当前中国以及长远战略上很有必要。煤热解释放的挥发分从颗粒内部扩撒至颗粒外部过程中,接触外部相对较高环境温度时,极易发生二次反应。二次反应对热解产物的收率和品质产生较大的影响,而减压操作以及新型内构件反应器能够有效抑制二次反应。通过促进挥发分的扩散及导出,减压能够极大地降低其二次反应程度。为考察二次反应对神木煤热解的影响,本文首先研究1-kg级新型内构件反应器煤的减压热解特性,对比分析了不同操作条件下的热解产物分布及特性,发现减压操作和内构件反应器对焦油收率和品质的提高存在协同作用。之后,再进一步研究了神木煤在小型固定床中热解行为。通过分析比较热解行为及产物特性,考察减压操作对二次反应的抑制作用。主要的研究内容和结果整理归纳如下:  1.考察了1-kg级的内构件和减压对煤热解的协同强化作用。整体上,加装了中央集气管和传热板的内构件反应器(反应器B)在神木煤热解过程中,较无内构件的传统反应器(反应器A),其升温速率得以加倍,同时焦油收率和品质显著地提高。分析对比了常压及减压条件下煤热解产物特性,一方面,发现常压下,反应器B的焦油收率达格金分析收率的89.0%,相比较反应器A的67.3%,绝对收率高出1.95(wt.%,d)。GC-MS组成分析也表明反应器B的热解焦油组成,其中脂肪族和酚类含量要高于反应器A中相应含量,而芳香族含量却远远低于反应器A的。此外,反应器A所得热解气收率约比反应器B高5%。该分析结果表明,反应器A中存在着比反应器B中程度更为严重的二次反应,这是由于反应器A内部热解挥发分从低温床层中心到高温边壁,在一定程度上加重了二次反应,而加装了中央集气管的反应器B内热解挥发分是由高温边壁流向低温床层中心的。另一方面,发现减压对有无内构件的固定床反应器表现出了相反的效果。在反应器B中,降低压力到-40 kPa进一步提升了焦油收率至10.23(wt.%,d),接近格金分析收率,而对于反应器A,相应焦油收率随压力的降低稍微增加。减压同时强化了反应器A和B内部挥发分的流动,但所产生的效果截然相反。反应器B得到更多的对流换热,升温速率快于其常压反应状态,而反应器A因此损失更多的热量,升温速率慢于其常压。  2.通过对神木煤的基本热解特性的研究,发现能够得到高油收率热解温度区间为550-600℃,此外,热重分析表明煤热解挥发分的释放主要在350-550℃温度区间。格金分析发现减压试验能够有效地提高焦油收率,从常压下的10.4(wt.%d)到真空表压为-70 kPa下11.5(wt.%,d)。在此基础上,考察了20 g规格小型固定床反应器随温度和压力条件变化所得产物分布及性质,实验结果表明减压对神木煤热解过程中挥发分的二次反应起到有效的抑制作用。此外,温度和压力对热解产物的交互影响进一步表明,实验所能达到的减压程度对二次反应的抑制效果受温度限制。较低温度(600℃)和较高的温度(800℃),其减压效果分别因二次反应较温和或太剧烈而不佳,而650-700℃下,减压作用甚为明显。  本论文通过内构件固定床实验和小型固定床实验,证明了减压能够有效的抑制二次反应的发生。此外,内构件和减压操作对二次反应的协同抑制作用,提供了一条有效地调控煤热解产物收率及品质的方法。
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