煤快速熱解的實(shí)驗(yàn)研究

煤快速熱解的實(shí)驗(yàn)研究

0煤的快速加熱熱解氣化反應(yīng)中煤熱解的作用機(jī)理在高溫下工作。當(dāng)冷態(tài)煤（室溫）進(jìn)入氣化爐后，首先進(jìn)行快速熱分解反應(yīng)，釋放熱量并生成焦，然后產(chǎn)生焦氣分和焦氣分。蒸發(fā)物質(zhì)的生成量和生成量影響氣化爐中的氣氛，影響氣化爐中的氣化反應(yīng)。在煤氣化和氣化爐的快速加熱條件下研究熱解規(guī)律對(duì)了解氣化爐中的煤氣化反應(yīng)過程以及氣化爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有重要意義。研究煤熱解的裝置可分為兩大類:煤流動(dòng)技術(shù)和靜態(tài)樣品法.前者煤樣連續(xù)進(jìn)料和出料,后者煤樣是靜止的.在這兩類技術(shù)中,用于煤快速加熱的裝置有電加熱金屬絲網(wǎng)、夾帶流反應(yīng)器、自由落下反應(yīng)器和循環(huán)流化床等.熱失重儀已廣泛應(yīng)用于煤慢速加熱熱解研究,取得很好效果,而將熱失重儀用于煤快速熱解的研究還未見報(bào)道.本文嘗試對(duì)熱失重儀進(jìn)行改造,利用等溫?zé)崾е胤▉?lái)研究煤快速加熱熱解.煤的快速加熱熱解研究基于熱失重儀能實(shí)時(shí)采樣、連續(xù)記錄物質(zhì)質(zhì)量變化的特點(diǎn),用等溫?zé)嶂胤M工業(yè)上將室溫煤投到高溫爐的操作.研究時(shí)將煤樣放入坩堝稱量后首先保存在室溫和氮?dú)饬髦?待反應(yīng)爐升到設(shè)定溫度時(shí),再將爐子迅速上移使盛煤坩堝置于爐中(坩堝靜止不動(dòng)),保持反應(yīng)爐恒溫直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束.本文考察了煤種、煤量、煤粒粒度和溫度對(duì)煤快速熱解的影響.1實(shí)驗(yàn)部分1.1煤炭采樣選用我國(guó)揮發(fā)分含量介于33%～13%的5種煤(神府、榆林、大同、淄博和潞安煤)做實(shí)驗(yàn).其工業(yè)分析和元素分析見表1.1.2氮?dú)鈿饴返拇_定使用上海天平廠WRT-3P型熱失重儀進(jìn)行煤快速熱解研究.儀器自動(dòng)采樣,計(jì)算機(jī)繪出失重曲線.將待測(cè)煤樣裝入鉑金坩堝中,高純氮(99.999%)為氣體介質(zhì).利用等溫?zé)崾е胤▉?lái)研究煤快速加熱熱解,實(shí)驗(yàn)出發(fā)點(diǎn)基于模擬工業(yè)上將室溫的煤投到高溫爐操作.研究所用熱失重儀石英外罩上有兩路氣道,如果氮?dú)獍赐ǔ?shí)驗(yàn)采用的一路出氣(見圖1a),坩堝中的煤在進(jìn)入高溫反應(yīng)爐瞬時(shí)就會(huì)和空氣中氧發(fā)生燃燒.經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)摸索,發(fā)現(xiàn)采用圖1b所示氣路能有效解決上述問題.設(shè)計(jì)是依據(jù)熱失重儀特點(diǎn)來(lái)考慮的.WRT-3P天平稱量系統(tǒng)(包括坩堝)和反應(yīng)爐為兩個(gè)相互獨(dú)立系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)開始前兩系統(tǒng)相分離,并都暴露于空氣中(熱失重儀氮?dú)膺M(jìn)氣經(jīng)過稱量系統(tǒng)流出,所以坩堝中的煤一直處于從上到下方向流動(dòng)的氮?dú)饬髦?,當(dāng)反應(yīng)爐溫度升到設(shè)定溫度,將其上移,使坩堝置于反應(yīng)爐中,此時(shí)將上下兩系統(tǒng)用鏍帽連接起來(lái),整個(gè)熱失重儀為一密閉體系.由于反應(yīng)爐裝置中積存有空氣,當(dāng)坩堝置于高溫的反應(yīng)爐時(shí),坩堝中煤就會(huì)發(fā)生燃燒反應(yīng).但是,如果有一路氮?dú)鈴姆磻?yīng)爐石英外罩底部通入,就能使反應(yīng)爐內(nèi)保持氮?dú)鈿夥?從而保證實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)的整個(gè)天平系統(tǒng)為氮?dú)鈿夥?快速熱解實(shí)驗(yàn)得以順利進(jìn)行.熱重爐從上向下氮?dú)饬髁?00mL/min,從下向上氣流300mL/min.熱失重儀儀器結(jié)構(gòu)及氣路圖見圖1.1.3始時(shí)煤樣質(zhì)量質(zhì)量損失百分?jǐn)?shù):式中:w0為熱解開始時(shí)煤樣質(zhì)量;wt熱解進(jìn)行到t時(shí)刻時(shí)煤樣質(zhì)量.揮發(fā)分逸出百分?jǐn)?shù):式中:vad為煤樣工業(yè)分析揮發(fā)分百分含量.2結(jié)果與討論2.1煤質(zhì)分析的結(jié)果在1083K,1173K,1263K,1323K和1383K(恒溫)條件下考察煤種(神府、榆林、大同、淄博和潞安煤)對(duì)快速熱解影響.煤粒度0.15mm～0.3mm,煤樣用量7.5mg～10mg.研究結(jié)果見圖2.由圖2可知,神府、榆林、淄博、大同和潞安煤在1083K,1173K,1263K,1323K和1383K快速熱解表現(xiàn)出相似規(guī)律.室溫的煤進(jìn)入高溫反應(yīng)爐后,首先發(fā)生極快速的失重,這一過程在8s內(nèi)即可完成,然后煤開始以緩慢速率失重.煤種不同,同一時(shí)間內(nèi)失重量不同.煤質(zhì)分析揮發(fā)分含量越高的煤,其失重量就越大,這五種煤中神府煤失重最多,其次是榆林、淄博、大同煤,潞安煤失重最少.2.2熱解溫度與煤?；钚缘年P(guān)系選用粒度為0.15mm～0.3mm的神府、榆林、大同、淄博和潞安煤考察溫度對(duì)煤快速熱解影響.研究結(jié)果見圖3.神府、榆林、大同、淄博和潞安煤在5個(gè)溫度恒溫快速熱解研究表明,隨熱解溫度的升高這五種煤失重量都增加.而且,從圖3b,圖3d,圖3f,圖3h,圖3j可知,冷態(tài)煙煤(室溫)進(jìn)入高溫反應(yīng)爐發(fā)生快速熱解時(shí)可失去比其工業(yè)分析更多的揮發(fā)分.Thomas認(rèn)為這是煤樣的二次反應(yīng)在很大程度上被抑制的緣故.煤粒受熱分解生成的揮發(fā)物分為活性的和不活性的,不活性的揮發(fā)物從煤中逸出后保持不變,而部分活性揮發(fā)物由于裂解等原因有一部分沉積在顆粒內(nèi),只有部分逸出,快速加熱時(shí)初次分解產(chǎn)物與熱的煤粒接觸時(shí)間短,減少了活性揮發(fā)物進(jìn)行二次反應(yīng)的機(jī)會(huì).2.3熱解過程分析選用粒度分別為0.15mm～0.3mm,0.3mm～0.45mm和0.9mm～1.43mm榆林煤考察煤粒度對(duì)快速熱解影響.測(cè)試溫度1083K,1173K,1263K,1323K和1383K.煤樣用量7.5mg～10mg.研究結(jié)果見圖4.從不同粒度榆林煤在5個(gè)溫度快速熱解失重曲線圖4可知,相同溫度下煤粒度越小,其失重量越大.對(duì)相同的停留時(shí)間,揮發(fā)物產(chǎn)率差別是由于大顆粒需要較長(zhǎng)的加熱時(shí)間,即煤樣顆粒內(nèi)部熱量傳遞影響其熱解過程.另外,大顆粒煤對(duì)揮發(fā)物逸出有較大阻力也是引起大粒度煤失重量少的原因.2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析考察在1083K,1173K,1263K,1323K和1383K下煤量對(duì)煤快速熱解影響.研究選用粒度0.15mm～0.3mm榆林煤,煤樣用量分別是2.5mg～4mg和7.5mg～8.5mg.研究結(jié)果見圖5.由圖5可知,使用熱失重儀研究煤快速熱解時(shí),煤試樣量對(duì)其質(zhì)量損失有一定影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與熱重坩堝結(jié)構(gòu)有關(guān).研究所用熱失重儀坩堝為敞口圓柱杯狀,煤樣置于其內(nèi)進(jìn)行熱解時(shí),氮?dú)獠荒苡缮隙麓┻^煤層從坩堝底部流出(坩堝四周及底部為實(shí)體,氣流不能通過),而必須從上面敞口處流出,所以煤量越少,揮發(fā)分逸出擴(kuò)散阻力越小.另外,坩堝內(nèi)煤量越少,單位煤樣受熱面積越大,失重量就越大.2.5大顆粒煤粉的作用機(jī)理用掃描電鏡觀察粒度為0.15mm～0.3mm的淄博煤、0.9mm～1.43mm的榆林煤在1110℃快速熱解后的焦渣.熱解實(shí)驗(yàn)時(shí)煤粒置于圓杯狀坩堝中.從第35頁(yè)圖6可以看出,煤粒在氮?dú)庵锌焖贌峤夂蠼乖w粒黏結(jié)在一起,顆粒表面有大量膠質(zhì)物生成.顆粒表面及內(nèi)部孔隙增大,有的煤粒形成內(nèi)部空洞.大顆粒煤快速熱解的焦渣表面有很深的裂紋生成,裂紋處有膠質(zhì)物.煤粒進(jìn)入氣化爐中,首先發(fā)生快速熱解釋放出揮發(fā)分,得到固體產(chǎn)物半焦,隨后發(fā)生煤焦和氣化劑等的反應(yīng).由于煤的揮發(fā)分在快速熱解過程中于極短時(shí)間內(nèi)迅速析出并積聚在煤粒中,導(dǎo)致顆粒內(nèi)部形成壓力梯度,當(dāng)壓力作用于煤粒對(duì)應(yīng)層表面的力超過煤粒本身材料的應(yīng)力時(shí),煤粒便會(huì)產(chǎn)生破裂.快速加熱時(shí)大顆粒煤不但發(fā)生破裂而且其內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)也急劇變化,所以快速加熱得到的煤焦氣化反應(yīng)速率要快得多.2.6煤種對(duì)熱解的影響慢速熱解研究在上海天平廠生產(chǎn)的WRT-3P型失重儀上進(jìn)行,自動(dòng)采樣,計(jì)算機(jī)繪出失重曲線.將待測(cè)煤樣裝入氧化鋁坩堝中,高純氮(99.999%)為氣體介質(zhì),按設(shè)定溫度程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn).煤樣在120℃加熱干燥10min,充分除去水分,之后升溫到終溫900℃.煤樣用量約8mg,氮?dú)饬髁?0mL/min.文中所有圖形縱坐標(biāo)(失重百分?jǐn)?shù))均以煤樣在120℃干燥10min的試樣質(zhì)量為基準(zhǔn).考察煤種對(duì)熱解的影響.煤樣粒度均小于0.074mm,測(cè)試煤種為神府、潞安、忻州、榆林、淄博和大同煤,升溫速率20℃/min.比較表明,煤揮發(fā)分的脫除速度是慢速熱解與快速熱解最大差異,煤快速熱解時(shí)其在8s內(nèi)可脫除絕大部分揮發(fā)物,然后是慢速脫揮發(fā)分過程,而煤慢速熱解時(shí)其在溫度高于300℃后的幾十分鐘內(nèi)一直處于質(zhì)量明顯減少過程中(見圖7).煤慢速熱解失重也和煤種有關(guān),揮發(fā)分含量越大的煤失重量越多.6種煤失重量由多到少依次是神府、榆林、淄博、大同、忻州和潞安煤.煤化程度不同,煤的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有較大差異,隨煤變質(zhì)程度加深,煤中有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定性增加,煤熱解時(shí)失重量減小.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1)煤從室溫進(jìn)到高溫爐后,首先發(fā)生一個(gè)極