發(fā)布時間：2020-08-24 15:11

【摘要】：煤碳的分級利用以及耦合其它能源利用是目前重點發(fā)展的潔凈煤利用技術,國家發(fā)改委在對煤碳的分級利用以及耦合其它能源利用給予了極大的關注與支持。目前對于單一的煤的氣化過程以及煤耦合生物質能源氣化過程的特性研究較多,但是油頁巖作為一種探明儲量非常大的非傳統(tǒng)化石能源,針對其與煤碳耦合利用的經濟性以及環(huán)境影響的研究較少。開發(fā)高效低污染的煤炭與油頁巖耦合熱利用技術需要深入了解煤炭與油頁巖耦合熱利用過程的熱動力學特性、產物析出特性與相互反應過程�；诖�,本文通過實驗研究分析、模擬驗證以及數值模擬計算預測的方法對一下三個方面進行了研究:(一)油頁巖的高灰分特性表明了其作為催化劑的潛在特性,與煤炭的耦合利用是否能促進高效低污染利用;(二)煤炭與油頁巖的耦合利用的相互作用在脫揮發(fā)分過程以及焦炭的氣化過程的機理;(三)數值模擬計算在研究煤炭與油頁巖耦合利用的特性研究應用效果。首先,為了解燃煤耦合油頁巖熱解的基本特性,本文基于熱重-傅立葉轉換紅外光譜聯用實驗平臺,對兩種不同煤種(褐煤以及煙煤)、一種油頁巖以及不同燃料混合物料在程序升溫控制下的熱解特性、氣態(tài)產物析出特性進行了綜合分析,采用單一變量法研究了不同煤種、混合比例等因素對耦合熱解過程反應特性、產物析出特性的影響。當油頁巖與褐煤的混合比例為3:7時,氣(液)產物的產量較單獨熱解增加了 1.4%。同時利用原位FTIR技術與KBr壓片技術分析了樣品原料表面的無機組分以及礦物組分,為多種燃料耦合反應的交互作用提供燃料物化特性支持。通過對耦合熱解反應結果與理論計算值進行對比分析,發(fā)現了褐煤與油頁巖耦合熱解對氣態(tài)產物具有選擇性促進作用,芳香族—C-H與脂肪族—C-H的比值獲得了增加,同時綜合污染物析出得到了一定的抑制。通過對實時析出產物的分析,結合燃料基本物化特性以及前人研究的熱解過程輸入-產出模型,建立了油頁巖與煤耦合熱解過程的脫揮發(fā)分組分分布計算模型。隨后為了更好地解釋燃煤耦合油頁巖熱解過程,應用了兩種無模型計算方法(KAS方法和FWO方法)獲取了油頁巖熱解過程的表觀活化能的值,在主要的失重階段(轉化率為0.2-0.9)時,油頁巖的活化能的變化區(qū)間為210.32-268.33kJ/mol。利用Malek方法對實驗過程中獲取的熱解活化能的值進行了校驗,根據特征曲線對油頁巖熱解的反應模型進行選擇,確定了 SestakBreggren模型。利用單方程熱解模型耦合描述水分蒸發(fā)的Lee模型、描述礦物質裂解反應的連續(xù)型一級反應模型以及固定碳異相氣化反應模型對實驗過程進行了模擬。通過對比實驗數據以及模型模擬結果,更好地解釋了煤耦合油頁巖熱解的規(guī)律。在此基礎上,進一步利用有限元分析的手段結合上述描述油頁巖熱解過程的集成模型并耦合動量方程、組分輸運方程以及能量方程,對某小型固定床油頁巖的傳熱實驗過程進行了模擬。通過實驗測量數據與模型模擬結果的對比分析,對傳熱傳質模型進行了標定。為了進一步探索燃煤與油頁巖耦合利用過程其它反應過程特性,在同一個平臺上分別進行了燃煤與油頁巖混合熱解新生焦炭的CO2氣化特性研究以及油頁巖新生半焦對褐煤熱解過程催化特性研究。本文創(chuàng)造性地通過閥門控制程序建立了四階段新生焦炭氣化特性研究方法,綜合研究了燃料種類、熱解溫度、揮發(fā)分殘留量對耦合氣化反應過程的影響�；旌蠚饣�,混合半焦與二氧化碳反應的活性要高于其單獨與二氧化碳反應的值。同時,基于油頁巖高灰分特性的考慮,通過掃描電鏡、X射線衍射等表征手段,分析了不同熱解下油頁巖半焦的孔隙結構、微晶結構等特性,揭示了溫度對油頁巖半焦形成的主要影響,并初步對油頁巖半焦與燃煤耦合反應時的促進作用進行了分析。為進一步探索油頁巖半焦在燃煤分級利用中的催化作用特性及規(guī)律,在臥式固定床反應裝置中,制取了不同裂解工況下獲得的油頁巖半焦樣品,并對頁巖半焦的表面含氧官能團、礦物組分、無機氧化物以及某些痕量元素的含量等進行了表征�；跓嶂�-傅立葉轉換紅外光譜聯用實驗平臺完成的熱重分析以及實時氣體析出檢測數據分析結果,發(fā)現通過慢速熱解獲得的油頁巖半焦與褐煤混合熱解,氣態(tài)產物中-S=O、-C=O、-CH(芳香族與脂肪族)以及cH4均有明顯的增加,驗證了油頁巖催化褐煤熱解反應、提高反應活性以及提高合成氣品質的應用前景。最后,為對建立的程序模型進行驗證,采用基于有限元分析法發(fā)展的固體燃料氣化模擬程序,對某以哥倫比亞煙煤為燃料的小試氣化實驗平臺進行的氣化實驗進行了模擬以及對比校驗,計算結果的各項參數的相對誤差均在20%以內,絕對誤差在4%以內,并進一步在該模型的基礎上完成了部分關鍵參數的模型敏感性分析以及不確定性分析。在集成了本文發(fā)展的耦合熱解模型、揮發(fā)分均相反應模型以及催化氣化反應模型之后,研究了印尼褐煤與茂名油頁巖耦合熱解過程溫度對產物析出的影響,結果表明該程序能夠較好地實現單一變量的影響規(guī)律研究。熱解模擬程序到氣化模擬程序的有效擴展,證實了該程序為將來實際的工業(yè)氣化爐的耦合氣化過程進行模擬計算的潛力,并切通過自模型的陸續(xù)集成,能夠實現更多功能,例如污染物預測、湍流流場預測等,具有較高的工業(yè)應用前景。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TD849.2;TD83
【圖文】：

費量增長 6.6%。天然 、 電、核電、風電等清潔能源消費量占能源消費總量的 20.8%，上升 1.3 個百分點；煤炭消費量占能源消費總量的百分 2016 年下降 1.6 個百分點，但依然占消費總量的 60.4%。圖1-1為 IEA 對我國蒸汽和煤炭的需求截 2040 的預測圖表，其預測的結果表明在未來我國煤炭的總量要從增長轉 降低還需要較長的時間。煤炭資源主要的利 形式包括直接燃燒、 化、熱解、直接液化等 式，其中煤炭直接燃燒占我國總 煤量 80% 左右。傳統(tǒng)燃煤發(fā)電 藝忽視了煤的資源屬性，將煤炭1

[25]，因此在上世紀 80 年代起，便已應 于化 燃料的熱解、燃燒、 化等反應過程的產物檢測中。圖1-2 和1-3分別為原味紅外池裝置的 意圖以及原位紅外反應池實體。圖 1-2 原位紅外池裝置 意圖：1，14、冷卻 出 2，9、窗 組件 3、出 4、 英外襯 5、不銹鋼外襯 6，10、冷卻 7、熱電偶 8、進 11、 英內襯 12、樣品池 13、加熱裝置1.3.2 煤炭耦合其它能源發(fā)電/供熱在對造紙污泥與低階煤的混合燃燒的研究中，發(fā)現混合燃燒對燃燒 為具有促進作 ，雖然 10% 的造紙污泥的摻混 例并不會影響各 在脫揮發(fā)分或者燃燒過程的反應活性。 混合燃料中的灰組分以及熔融性隨著造紙污泥的 例變化，兩者的流體溫度都相應升 。研究同時表明，造紙污泥與煤混燃，提 了次煙煤的結渣結焦概率[26]。TGA分析得到的稻殼與粉煤混合燃燒特性結果表明

圖 1-3 原位紅外反應池實體質的混合 例呈嚴格的線性關系[27]。對這些現象的分燒之間并沒有協同關系。另 個在 TGA 上進 的榛 混合燃料的燃盡率并不總是與各 燃料燃燒的燃盡率的數為 8% 時，混合物的燃盡率 于理論計算值。 當低了。總體 ，當質量分數在 10% 以內時，可在混合應， 當 物質的質量分數為 20% 時，則體現的是直垃圾混合燃燒的 TGA 研究中，發(fā)現著 溫度與揮發(fā)分且，在經過預處理的城市 活垃圾與 灰分印第安煤混有眾多的學者研究了不同能源及其混合燃料燃燒過程究的結果表明，在相同的燃燒實驗條件下（相同的終燒的難易程度以及燃燒化學強度不同。在 些研究中，

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本文編號：2802615