【摘要】：褐煤是我國煤炭資源的重要組成部分,目前主要用于直接燃燒,存在效率低,污染嚴重且沒有有效利用所含富氫組分等問題。以褐煤熱解為基礎的分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)利用褐煤熱解工藝將褐煤中高活性的富氫揮發(fā)分提取出來,有助于緩解我國油氣資源短缺的局面,實現(xiàn)褐煤資源的梯級高效利用。目前,國內(nèi)外的褐煤熱解分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的研究與開發(fā)工作方興未艾,在技術(shù)的研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應用過程中許多關鍵問題有待解決,如褐煤熱解特性及其調(diào)控規(guī)律、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)工藝構(gòu)成及優(yōu)化等。本文針對目前熱解氣氣氛中CO、CO2和CH4等氣氛影響褐煤熱解過程特性及機理的認識不充分和在褐煤熱解分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)建、優(yōu)化及可行性分析方面缺乏深入研究的現(xiàn)狀,開展相關實驗及系統(tǒng)模擬研究,為褐煤分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的工業(yè)化應用提供參考。 首先,搭建了慢速升溫和快速升溫固定床熱解實驗系統(tǒng),以國內(nèi)典型褐煤—小龍?zhí)逗置簽樵?分別開展了N2、CO、CO2和CH4氣氛下的熱解實驗,重點考察了熱解氣氛濃度、熱解溫度、礦物組分、升溫速率和恒溫時間等因素的影響特性,研究了CO、CO2和CH4對熱解產(chǎn)物產(chǎn)率與性質(zhì)的影響機理。 實驗結(jié)果表明,熱解氣氛中的CO分別在500-600℃和700-800℃溫度下發(fā)生了水汽變換反應和歧化反應。小龍?zhí)逗置褐懈吆康蔫F基礦物組分在水汽變換和歧化反應中發(fā)揮了催化作用。CO歧化反應對焦油和C1-C3氣體產(chǎn)率的影響與升溫速率有關：慢速升溫時,大部分焦油和C1-C3氣體的析出過程先于歧化反應,因此高溫時焦油和C1-C3氣體的產(chǎn)率不受歧化反應影響；快速升溫時,升溫時間短,大量焦油和C1-C3氣體在高溫時析出,此時歧化反應生成的積碳堵塞了半焦孔隙,抑制了此時焦油和C1-C3氣體的析出。對焦油組分而言,溫度700℃時,CO氣氛在不同升溫速率下均促進了焦油中多環(huán)芳烴(PAHs)和脂肪烴的析出,改善了焦油質(zhì)量；快速升溫至溫度高于700℃時,歧化反應的存在抑制了焦油中各組分的析出。 CO2氣氛下的實驗研究表明,氣氛中CO2的存在提高了熱解水和焦油產(chǎn)率,抑制了H2和C1-C3氣體的產(chǎn)生。溫度低于600℃時,CO2對半焦和CO產(chǎn)率呈惰性,溫度升至600℃以上,C02與半焦發(fā)生氣化反應,降低了半焦產(chǎn)率、提高了CO產(chǎn)率、促進了褐煤中碳元素的析出和半焦的著火燃燒。褐煤中礦物組分在氣化反應中發(fā)揮了催化劑的作用。研究發(fā)現(xiàn),C02氣氛對褐煤熱解產(chǎn)物產(chǎn)率的作用不隨升溫速率變化而改變。氣化反應對焦油產(chǎn)率和組分的影響與升溫速率有關：在低升溫速率條件下,氣化反應對焦油產(chǎn)率無影響,C02氣氛促進了輕質(zhì)芳烴、酚類、PAHs和脂肪烴產(chǎn)率；高升溫速率條件下,焦油析出與C02氣化同時存在,C02氣化促進了焦油中重質(zhì)組分的析出。 對比CH4和N2氣氛下的結(jié)果表明,CH4氣氛在不同升溫速率下均對C02和CO產(chǎn)率沒有明顯影響。溫度高于600℃時,熱解氣氛中的CH4在煤中有機質(zhì)的催化作用下裂解生成H2和碳,提高了氫氣和半焦產(chǎn)率,降低了碳轉(zhuǎn)化率,不利于半焦的著火燃燒。慢速升溫時,焦油和C1-C3的析出過程與甲烷裂解過程不重疊,因而不受甲烷裂解過程影響；快速升溫時,甲烷裂解生成的自由基促進了焦油中重質(zhì)組分和多環(huán)芳烴以及甲基等烴類基團的穩(wěn)定,提高了焦油和C1-C3產(chǎn)率。 以液體燃料和電力為目標產(chǎn)品,構(gòu)建了以褐煤為原料的2×300MWe亞臨界循環(huán)流化床熱解燃燒分級轉(zhuǎn)化熱、電、甲醇及燃料油多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)采用的技術(shù)方案為：褐煤采用流化床熱解技術(shù)；半焦采用常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐火電機組燃燒發(fā)電；煤氣提氫用于焦油加氫精制合成燃料油；少氫煤氣經(jīng)甲烷重整后合成高純度甲醇；合成尾氣用于燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。利用Aspen Plus流程模擬軟件建立了多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和常規(guī)循環(huán)流化床發(fā)電機組的穩(wěn)態(tài)模型,結(jié)合本文實驗結(jié)果預測了流化床熱解爐的熱解結(jié)果,并在此基礎上計算并對比了多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和常規(guī)亞臨界循環(huán)流化床發(fā)電機組的系統(tǒng)效率、固定投資、內(nèi)部收益率和投資回報期等技術(shù)經(jīng)濟指標,考察了市場價格波動的不確定性,全面評估多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的可行性。計算結(jié)果表明,雖然多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)更加復雜,設備投資比常規(guī)發(fā)電機組高,但具有效率高、效益好等優(yōu)勢。多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的系統(tǒng)效率達到43.20%,比常規(guī)燃煤電站提高近10%。在2011年的市場條件下,多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)年利潤可比常規(guī)發(fā)電機組提高了近3倍,多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的內(nèi)部收益率和投資回報期達到24.07%和5.29年,均優(yōu)于常規(guī)發(fā)電機組。不確定性分析結(jié)果顯示,多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)比傳統(tǒng)發(fā)電機組擁有更具彈性的市場波動的抗壓能力。研究結(jié)果為我國構(gòu)建并推廣具有應用前景的褐煤熱解分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)提供了可靠的數(shù)據(jù)參考。
【圖文】：

我國社會經(jīng)濟發(fā)展對能源的需求量也不斷增加。如圖1-1所示，我國對石油的消耗量逐年增加，近十年對石油資源的依賴程度逐漸加深，20]3年我國的石油表觀消費量達到4.98億噸，，在我國一次能源消費結(jié)構(gòu)中占據(jù)了重要的地位。然而我國石油資源短缺，已探明儲量僅占全世界的1.1%,截至2013年底我國石油資源的儲采比僅為11.9。目前中國大多數(shù)油田巳進入開發(fā)中后期，年產(chǎn)油量逐年下滑，而每年新開采的油田產(chǎn)油量提升空間小，導致多年來我國石油產(chǎn)量并無太大增長。過去二十年，我國天然氣消耗量呈指數(shù)式增長，如圖1-2所示，2013年全國消耗的天然氣總量達到1676億立方來，一舉超越伊朗躍居世界第三，相比之下，2013年我國天然氣總產(chǎn)量卻不足1200億立方米�！鍪钱a(chǎn)城■石油耗V:6

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