神东煤热解特性及半焦用作高炉喷吹适用性分析

为实现神东煤的深度加工利用,利用热重分析仪及管式热解炉对神东煤的热解特性进行分析,研究热解半焦用作高炉喷吹原料的适用性,提出热解半焦利用的新途径。结果表明,神东煤的煤质特性优良,格金焦油产率高达8.15%,比较适宜用作低温热解;550℃时焦油产率最大,焦油灰分低,馏出温度350℃占比50%以上。随着热解温度升高,热解气中CH4和CO2含量降低,而H2和CO含量增多。热解水产率基本保持在16%。热解半焦喷吹特征与目前国内主流的喷吹煤性质相当,比较适合用作高炉喷吹原料。轻度热解半焦可直接用于高炉喷吹,提取焦油剩余半焦用作喷吹配煤可实现煤炭分质转化利用。     

神东煤与煤液化残渣共热解研究

为实现煤液化残渣的资源化利用,采用神东煤与液化残渣进行共热解试验,研究了神东煤粒度、残渣粒度、残渣比例对热解产物分布及热解半焦强度的影响,建立了热解半焦强度测试方法。结果表明,共热解后焦油干基收率随着液化残渣加入量的增多而增大,液化残渣的加入对焦油的生成有正协同作用。1 mm液化残渣添加量由10%增加到30%,3~6 mm神东煤共热解半焦转鼓强度增大29.3%,易碎性F值降低22.8%;同样条件下,液化残渣添加量对3~6 mm神东煤共热解半焦转鼓强度的影响更大,1 mm的液化残渣添加量对神东煤共热解半焦易碎性F值影响更大,3 mm神东煤和1 mm的液化残渣共热解半焦转鼓强度小,易碎性F值高,因此热解过程原料煤应当设置粒度下限。     

半焦基催化剂裂解煤热解产物提高油气品质

利用上段热解下段催化的两段固定床反应器,针对府谷煤研究了半焦和半焦负载Co催化剂对煤热解产物的催化裂解效果。结果表明,半焦和半焦负载钴对热解产物催化裂解后,热解气收率增加,焦油收率降低,但焦油中沸点低于360℃的轻质组分含量提高,轻质焦油收率基本保持不变或略有增加。与煤在600℃直接热解相比,在热解和催化温度均为600℃,采用煤样质量20%的半焦为催化剂时焦油中轻质组分质量含量提高了约25%,轻质组分收率基本不变,热解气体积收率增加了31.2%;在热解温度600℃,催化温度500℃时,采用煤样质量5%的半焦负载钴催化剂,焦油中轻质组分质量收率和含量分别提高了约8.8%和28.8%,热解气体积收率增加了21.5%。煤热解产物的二次催化裂解的总体效果是将焦油中重质组分转化为轻质焦油和热解气。     

磷改性Mo/Al_2O_3-SiO_2催化剂对神府煤催化热解产物的影响

在常压固定床反应器及温度为750℃的氢气气氛下开展了神府煤催化热解研究,讨论了磷改性催化剂对热解气组成和焦油产率的影响。结果表明:10%-Mo/3%-P-Al_2O_3-SiO_2催化剂使得煤热解焦油的收率提升了9.6%,热解气热值提高,催化剂对热解气体产物组成影响较小,其中CH_4的相对含量占到50%以上。焦油的GC-MS分析表明,催化热解可以使焦油中各组分的相对含量有不同程度的变化,证明磷改性催化剂能在一定程度上调整加氢热解产物的分布。     

粒径和入炉煤水分对白音华褐煤热解特性的影响

为获得粉状褐煤蓄热式下行床快速热解适宜工艺参数,通过蓄热式下行床快速热解试验装置,在900℃高温热解试验条件下,研究了白音华褐煤煤粉粒度分布和入炉煤水分对热解产物产率和热解气体组成的影响。结果表明:粒径6 mm时,随煤粉粒径增大,热解半焦产率增加,热解焦油产率均低于3%,热解气产率逐渐降低,该粒径范围内的热解气产率较高(35%)。因此,6 mm煤粉均适用于蓄热式下行床热解工艺,工业生产过程中可依据下游除尘要求,在6 mm内筛选煤粉粒径。煤粉粒径3 mm、入炉煤水分在15.10%~25.03%时,随入炉煤水分的增加,热解水、热解气产率增加,半焦产率降低,因此,高入炉煤水分有利于粉状褐煤热解,提高褐煤煤粉干燥效率,降低烟尘和小颗粒煤粉的排放量。     

印尼褐煤快速热解试验研究

为考察神雾快速热解炉的产品产率及产品性质,将神雾蓄热式快速热解工业炉型按一定比例缩小,在实验室自建的快速热解小试试验装置上,考察了热解温度对热解产物产率的影响,并对产物性质进行分析。结果表明,印尼褐煤快速热解最佳反应温度为590℃,印尼褐煤油收率为9.91%,高达格金含油率的95%,快速热解装置油收率较高。与固定床热解煤焦油相比,快速热解煤焦油的密度、黏度、凝点和残炭含量均较低。模拟蒸馏结果表明,快速热解煤焦油中汽油馏分为2%,柴油馏分为44%,重油馏分为54%。印尼褐煤快速热解气中的主要组分是CH4和H2,热值较高。     

过渡金属氧化物担载型USY分子筛对神东煤催化热解行为的影响

利用粉-粒流化床热解实验装置,研究了过渡金属氧化物改性的USY分子筛对神东煤热解行为的影响。结果表明:过渡金属氧化物改性后USY分子筛骨架结构未发生变化,酸量变化显著。催化剂对神东煤一次热解挥发分的催化作用明显,半焦收率基本保持在66%左右;在实验所选五种催化剂作用下热解挥发分的脱氧反应都增强,热解气中CO和CO_2的收率明显增加,液体产物收率下降,强酸性导致积碳严重,双金属改性后积碳情况改善。USY分子筛对轻质芳烃的形成具有较高的催化活性,其酸性中心能促进焦油中含氧化合物、稠环芳烃和脂肪烃向萘类芳烃转化,负载WO_3后会抑制焦油中萘类芳烃的生成,NiO引入后催化剂的双金属活性导致此抑制作用更为明显,且NiO的裂解性和脱氢性能会显著增加焦油中脂肪烃的含量和气体中H2的收率。     

内构件固定床反应器中不同水分煤的热解特性

通过在有无内构件(传热板和中心集气管)固定床反应器中研究不同水分含量煤的热解特性,考察了两反应器中煤料的升温特性、热解产物分布、焦油品质以及气体产物组成和半焦热值。结果表明,内构件可以强化传热和调节热解产物在反应器内的流动,相对无内构件反应器,有内构件反应器的反应时间缩短近一半。在有内构件反应器中,当煤水分增加,导致煤热解反应要求的时间延长,焦油中轻质组分(沸点低于360℃)含量明显升高,焦油收率先增加后降低,热解水和热解气产率升高,而无内构件反应器的热解产物无明显差异。当加热温度900℃时,煤水分从0.41%(本文中无特殊说明的均为质量分数) 增加至11.68%,焦油产率从9.21%增长到10.74%;当煤水分增加到15.93%,焦油产量下降到10.26%。两反应器气体平均组成随水分增加的变化趋势相似,气体热值均随水分增加呈下降趋势。     

内构件移动床碎煤热解中试产物分布特性

为验证内构件移动床反应器处理低阶碎煤制取高品质油气效果,在煤处理量为1 000t/a的中试平台上对0mm～10mm神木煤进行了连续运行热解实验,重点考察了炉温900℃条件下的煤热解产物分布及其基本特性。结果表明:在控制反应器底部最低排料温度530℃时,焦油产率可以达到格金干馏焦油产率的82.9%,焦油含尘量0.16%,焦油中360℃以下轻质组分含量为67.0%;半焦产率73.36%,其含S量有所降低,而发热量变化不大;热解气产率11.88%,其中富含甲烷和氢气,CH_4+H_2达73.0%。中试实验证明内构件移动床反应器可以有效处理碎煤热解,实现连续稳定运行,以较高收率制取高品质油气。     

红外加热固定床油页岩热解特性研究

为在高温下实现油页岩的热解油及热解气同时高收率生产，本文提出“热解反应定向调控”技术路线，并开发了红外加热固定床热解反应器验证该技术路线的可行性，考察了不同热解终温下热解产物分布和焦油组成，分析了铝甑分析和红外加热方式对油页岩热解过程的影响。结果表明，在考察的实验条件范围内，红外加热固定床热解气收率随热解终温升高而持续增加，热解油收率在热解终温为700℃时达到最大，为铝甑分析热解油收率的1.39倍。红外快速加热方式能够促进煤中弱供价键断裂并有效抑制高温反应条件引起的挥发分二次反应，热解所得焦油中轻质组分收率随热解油收率增加而增加。     

热解温度对低阶煤热解性能影响研究

为获得高品质高产率热解油气,以榆林长焰煤为研究对象,采用1 kg/h外热式回转炉,研究不同热解温度下榆林长焰煤的产品产率、半焦强度及煤焦油品质。结果表明:随着热解温度的升高,榆林煤裂解程度加深,有机质剧烈分解,气体、液体产物不断析出,半焦产率下降,煤气产率增加;热解水量受温度影响不大,仅随温度升高略有增加。随热解温度升高,榆林煤热解半焦结构强度和半焦微孔均增大,温度越高,气孔结构越发达。煤焦油中脂肪族和芳香族含量与热解温度成正比,极性物含量与热解温度成反比。长焰煤适宜热解温度为600℃,此时煤焦油产率达到极大值8.66%,为格金焦油产率的79.5%;半焦结构强度在78%以上,煤焦油中脂肪族和芳香族含量在50%以上,极性物含量32.9%,族组成较为理想。     

温度梯度与产物流动对先锋褐煤热解产物分布的影响

通过两段固定床反应器分离了煤热解和二次反应过程,模拟了传统外热式固定床反应器和外热式内构件固定床反应器内挥发性热解产物流动与固相反应颗粒间的相互作用,研究了不同温度的半焦对先锋褐煤热解产物分布和品质的影响。结果表明：当半焦的温度在500～900℃时,焦油发生剧烈的二次反应,热解气收率增加,焦油收率大幅下降,H/C同时大量降低且均低于空白样,油品质下降;在100～400℃半焦作用下,焦油发生轻微的二次反应,热解气收率略微增加,焦油收率缓慢下降,但H/C均高于空白样,油品质提升。该结果验证内构件外热式固定床反应器热解产生的焦油具有更高的收率及品质。     

山楂核热解特性及其产物研究

为研究山楂核热解特性及其产物分布规律,在不同升温速率及不同热解终温条件下对山楂核粉末进行热重分析,并用自制小型固定床热解炉对山楂核粉末进行了热解实验,考察了热解终温和升温速率对山楂核热解的三相产物产率的影响,结果表明：热解终温对焦油产率影响不大,对热解气和焦炭产率有显著影响,随着热解终温的提高,焦炭产率降低,而热解气产量增加。同一热解终温条件下,随着升温速率由5℃/min增加到10℃/min,焦油产率增加（热解终温600℃时,增加量约6个百分点）,焦炭和热解气产率降低,并且热解终温越大,升温速率对焦油产率影响越大;同时,提高热解终温和升温速率会使反应速率增大。     

间热径向流反应器料层厚度对煤热解特性的影响

考察了方形径向流固定床煤热解反应器中变化煤层厚度对料层升温速度及煤热解产物分布特性的影响。随着料层厚度增加,导致煤热解反应要求的时间增长,热解水和气的产率相应增加,焦油和半焦收率逐渐降低,但焦油中轻质组分(沸点低于360℃组分)含量呈升高趋势,半焦和煤气热值稍许降低。如,加热壁温度900℃、从45 mm至105 mm增加煤料层厚度时,焦油产率从7.17%(质量,下同)下降到6.26% (相对干基煤),但焦油中的轻焦油组分含量则从67%升至72.7%,半焦产率由80.0%降至77.0%,热解水和煤气产率分别由6.96%和5.91%增至8.85%和7.90%,煤气热值则由24348.5 kJ·m^-3下降至20649.2 kJ·m^-3。所得半焦的热值径向上由高温侧向低温侧逐渐降低,煤料层越厚、热值降幅越大,而相同煤料层厚度处与加热壁平行的同一轴向平面上的半焦热值基本相同。针对研究的反应器,气相热解产物在反应器内沿径向(横向)由高温料层区向低温料层区流动。在该过程中伴随着热解产物对远离加热壁的低温煤料的传热、热解生成重质组分的冷凝和在煤/半焦颗粒表面的吸附截留,进而在低温料层进一步升高温度时发生二次裂解等物理化学过程。反应器内煤层厚度越大,上述各种伴随的物化作用越显著,从而明显影响煤料层的升温及热解特性。     

煤红外快速热解过程中床层对二次反应的影响

针对煤快速热解研究中样品添加量少(mg级)、焦油收集难等问题,本研究利用压片法制备微薄厚度(mm级)的煤层,并采用红外加热装置考察大添加量(g级)、微薄煤层的快速热解特性。对比堆积煤样和不同煤压片厚度(1.5~3 mm)与个数(1~2)的压片煤样热解特性发现,压片煤层热解过程的二次反应受到明显抑制,焦油产率急剧增加,在1000℃时达9.96%,为格金分析的1.5倍,实现油气产量的同步增长。模拟蒸馏分析发现,堆积状态下焦油以沥青质为主,而微薄煤层制焦油含大量轻油、酚油、萘油、洗油和蒽油。GC-MS和FTIR分析表明,随煤层厚度和个数的减少,焦油组分和含量提高,芳香烃类和含氧官能团吸收增加,进一步验证煤快速热解过程中煤层厚度对焦油产率和品质的影响,揭示在二次反应充分抑制下煤高温热解的初级反应特性。     

神木烟煤热解产物分布及主要元素的迁移规律

在石英管固定床反应器中对神木烟煤进行热解实验,研究了热解温度对煤热解产物分布和C, H, O, N, S元素在热解产物中分配的影响. 结果表明,在500?900℃范围内,随热解温度升高,半焦产率下降,气体产率增大,焦油产率先增大后降低,600℃时达最大值9.2%(ω);半焦中C, H, O和N元素迁入量下降,S元素迁入量先降低后略有增大,在700℃时达最小值67.0%;热解气中C, H, O元素迁入量增大,N元素和S元素迁入量先增大后减小,分别在800和600℃时达最大值28.8%和27.9%;焦油中C, H, O元素迁入量先增大后降低,均在600℃时分别达最大值9.3%, 14.0%和7.2%,N元素和S元素迁入量缓慢增加;热解水中H和O元素迁入量先增大后略有降低,在700℃时分别达最大值14.5%和48.5%.     

移动床中内构件对煤热解反应过程调控作用

在外热式内构件（多级折流板和多段集气管）移动床反应器内研究了淖毛湖煤的热解特性,并与常规固定床反应器中煤热解行为进行对比,考察了两反应器内的传热速率以及热解温度对产物分布、热解气组成、焦油组成和品质等影响规律。结果表明：在450℃低温热解时,煤颗粒在内构件移动床内的升温时间比固定床缩短了60%以上,内构件具有显著提高反应器内颗粒间传热速率的作用。随着热解温度的升高,热解气中的C₂H₄/C₂H₆和C₃H₆/C₃H₈的比值变大,挥发分的二次反应程度加大,但裂解程度低于固定床。内构件移动床中的焦油产率随温度的升高先增加后降低,在550℃时达到最高为10.8%（质量分数）,比固定床增高约28.6%。当热解温度越高时,移动床所产焦油中的沥青质组分含量越低,在750℃时焦油中轻质组分质量分数达到85.17%,脂肪烃含量降低到了28.00%。通过与固定床对比,揭示了内构件（多级折流板和集气管）调控淖毛湖煤热解反应并提高热解焦油产率和品质的作用。     

热等离子体热解煤焦油制乙炔

利用热等离子高温、高焓等特性热解煤焦油制乙炔是一条清洁高效的乙炔生产技术。在实验室对热等离子体热解煤焦油反应中的原料进样温度、反应气氛、输入比焓等关键因素展开了研究。结果表明,热等离子体可将煤焦油直接转化为乙炔及其他小分子气态产品,预热煤焦油可改善其流动性从而提高煤焦油和等离子体射流的初始混合效率;氢等离子体的加入可显著提高煤焦油转化率和乙炔收率并减少结焦;随着输入比焓的增加,煤焦油转化率、乙炔收率和气态产品总收率均得到提高。在实验中得到的煤焦油转化率最高为86.3%,乙炔收率最高为24.6%,气态产品总收率最高为51.7%。煤焦油在热等离子体的热解过程中副产乙烯,乙烯收率达到7.9%。乙炔收率和乙烯收率的比值可用于预测气相体系温度。