【摘要】：煤碳的分級(jí)利用以及耦合其它能源利用是目前重點(diǎn)發(fā)展的潔凈煤利用技術(shù),國(guó)家發(fā)改委在對(duì)煤碳的分級(jí)利用以及耦合其它能源利用給予了極大的關(guān)注與支持。目前對(duì)于單一的煤的氣化過(guò)程以及煤耦合生物質(zhì)能源氣化過(guò)程的特性研究較多,但是油頁(yè)巖作為一種探明儲(chǔ)量非常大的非傳統(tǒng)化石能源,針對(duì)其與煤碳耦合利用的經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)境影響的研究較少。開(kāi)發(fā)高效低污染的煤炭與油頁(yè)巖耦合熱利用技術(shù)需要深入了解煤炭與油頁(yè)巖耦合熱利用過(guò)程的熱動(dòng)力學(xué)特性、產(chǎn)物析出特性與相互反應(yīng)過(guò)程�；诖�,本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究分析、模擬驗(yàn)證以及數(shù)值模擬計(jì)算預(yù)測(cè)的方法對(duì)一下三個(gè)方面進(jìn)行了研究:(一)油頁(yè)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(jìn)高效低污染利用;(二)煤炭與油頁(yè)巖的耦合利用的相互作用在脫揮發(fā)分過(guò)程以及焦炭的氣化過(guò)程的機(jī)理;(三)數(shù)值模擬計(jì)算在研究煤炭與油頁(yè)巖耦合利用的特性研究應(yīng)用效果。首先,為了解燃煤耦合油頁(yè)巖熱解的基本特性,本文基于熱重-傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜聯(lián)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)兩種不同煤種(褐煤以及煙煤)、一種油頁(yè)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(chǎn)物析出特性進(jìn)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(duì)耦合熱解過(guò)程反應(yīng)特性、產(chǎn)物析出特性的影響。當(dāng)油頁(yè)巖與褐煤的混合比例為3:7時(shí),氣(液)產(chǎn)物的產(chǎn)量較單獨(dú)熱解增加了 1.4%。同時(shí)利用原位FTIR技術(shù)與KBr壓片技術(shù)分析了樣品原料表面的無(wú)機(jī)組分以及礦物組分,為多種燃料耦合反應(yīng)的交互作用提供燃料物化特性支持。通過(guò)對(duì)耦合熱解反應(yīng)結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)了褐煤與油頁(yè)巖耦合熱解對(duì)氣態(tài)產(chǎn)物具有選擇性促進(jìn)作用,芳香族—C-H與脂肪族—C-H的比值獲得了增加,同時(shí)綜合污染物析出得到了一定的抑制。通過(guò)對(duì)實(shí)時(shí)析出產(chǎn)物的分析,結(jié)合燃料基本物化特性以及前人研究的熱解過(guò)程輸入-產(chǎn)出模型,建立了油頁(yè)巖與煤耦合熱解過(guò)程的脫揮發(fā)分組分分布計(jì)算模型。隨后為了更好地解釋燃煤耦合油頁(yè)巖熱解過(guò)程,應(yīng)用了兩種無(wú)模型計(jì)算方法(KAS方法和FWO方法)獲取了油頁(yè)巖熱解過(guò)程的表觀活化能的值,在主要的失重階段(轉(zhuǎn)化率為0.2-0.9)時(shí),油頁(yè)巖的活化能的變化區(qū)間為210.32-268.33kJ/mol。利用Malek方法對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲取的熱解活化能的值進(jìn)行了校驗(yàn),根據(jù)特征曲線對(duì)油頁(yè)巖熱解的反應(yīng)模型進(jìn)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(zhì)裂解反應(yīng)的連續(xù)型一級(jí)反應(yīng)模型以及固定碳異相氣化反應(yīng)模型對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了模擬。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及模型模擬結(jié)果,更好地解釋了煤耦合油頁(yè)巖熱解的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步利用有限元分析的手段結(jié)合上述描述油頁(yè)巖熱解過(guò)程的集成模型并耦合動(dòng)量方程、組分輸運(yùn)方程以及能量方程,對(duì)某小型固定床油頁(yè)巖的傳熱實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行了模擬。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與模型模擬結(jié)果的對(duì)比分析,對(duì)傳熱傳質(zhì)模型進(jìn)行了標(biāo)定。為了進(jìn)一步探索燃煤與油頁(yè)巖耦合利用過(guò)程其它反應(yīng)過(guò)程特性,在同一個(gè)平臺(tái)上分別進(jìn)行了燃煤與油頁(yè)巖混合熱解新生焦炭的CO2氣化特性研究以及油頁(yè)巖新生半焦對(duì)褐煤熱解過(guò)程催化特性研究。本文創(chuàng)造性地通過(guò)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(duì)耦合氣化反應(yīng)過(guò)程的影響。混合氣化中,混合半焦與二氧化碳反應(yīng)的活性要高于其單獨(dú)與二氧化碳反應(yīng)的值。同時(shí),基于油頁(yè)巖高灰分特性的考慮,通過(guò)掃描電鏡、X射線衍射等表征手段,分析了不同熱解下油頁(yè)巖半焦的孔隙結(jié)構(gòu)、微晶結(jié)構(gòu)等特性,揭示了溫度對(duì)油頁(yè)巖半焦形成的主要影響,并初步對(duì)油頁(yè)巖半焦與燃煤耦合反應(yīng)時(shí)的促進(jìn)作用進(jìn)行了分析。為進(jìn)一步探索油頁(yè)巖半焦在燃煤分級(jí)利用中的催化作用特性及規(guī)律,在臥式固定床反應(yīng)裝置中,制取了不同裂解工況下獲得的油頁(yè)巖半焦樣品,并對(duì)頁(yè)巖半焦的表面含氧官能團(tuán)、礦物組分、無(wú)機(jī)氧化物以及某些痕量元素的含量等進(jìn)行了表征�；跓嶂�-傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜聯(lián)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成的熱重分析以及實(shí)時(shí)氣體析出檢測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)通過(guò)慢速熱解獲得的油頁(yè)巖半焦與褐煤混合熱解,氣態(tài)產(chǎn)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(yàn)證了油頁(yè)巖催化褐煤熱解反應(yīng)、提高反應(yīng)活性以及提高合成氣品質(zhì)的應(yīng)用前景。最后,為對(duì)建立的程序模型進(jìn)行驗(yàn)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(duì)某以哥倫比亞煙煤為燃料的小試氣化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行的氣化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬以及對(duì)比校驗(yàn),計(jì)算結(jié)果的各項(xiàng)參數(shù)的相對(duì)誤差均在20%以內(nèi),絕對(duì)誤差在4%以內(nèi),并進(jìn)一步在該模型的基礎(chǔ)上完成了部分關(guān)鍵參數(shù)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(yīng)模型以及催化氣化反應(yīng)模型之后,研究了印尼褐煤與茂名油頁(yè)巖耦合熱解過(guò)程溫度對(duì)產(chǎn)物析出的影響,結(jié)果表明該程序能夠較好地實(shí)現(xiàn)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(kuò)展,證實(shí)了該程序?yàn)閷?lái)實(shí)際的工業(yè)氣化爐的耦合氣化過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算的潛力,并切通過(guò)自模型的陸續(xù)集成,能夠?qū)崿F(xiàn)更多功能,例如污染物預(yù)測(cè)、湍流流場(chǎng)預(yù)測(cè)等,具有較高的工業(yè)應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD849.2;TD83
【圖文】：

費(fèi)量增長(zhǎng) 6.6%。天然 、 電、核電、風(fēng)電等清潔能源消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的 20.8%，上升 1.3 個(gè)百分點(diǎn)；煤炭消費(fèi)量占能源消費(fèi)總量的百分 2016 年下降 1.6 個(gè)百分點(diǎn)，但依然占消費(fèi)總量的 60.4%。圖1-1為 IEA 對(duì)我國(guó)蒸汽和煤炭的需求截 2040 的預(yù)測(cè)圖表，其預(yù)測(cè)的結(jié)果表明在未來(lái)我國(guó)煤炭的總量要從增長(zhǎng)轉(zhuǎn) 降低還需要較長(zhǎng)的時(shí)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(guó)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(jì) 80 年代起，便已應(yīng) 于化 燃料的熱解、燃燒、 化等反應(yīng)過(guò)程的產(chǎn)物檢測(cè)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(yīng)池實(shí)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(jìn) 11、 英內(nèi)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(duì)造紙污泥與低階煤的混合燃燒的研究中，發(fā)現(xiàn)混合燃燒對(duì)燃燒 為具有促進(jìn)作 ，雖然 10% 的造紙污泥的摻混 例并不會(huì)影響各 在脫揮發(fā)分或者燃燒過(guò)程的反應(yīng)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(yīng)升 。研究同時(shí)表明，造紙污泥與煤混燃，提 了次煙煤的結(jié)渣結(jié)焦概率[26]。TGA分析得到的稻殼與粉煤混合燃燒特性結(jié)果表明

圖 1-3 原位紅外反應(yīng)池實(shí)體質(zhì)的混合 例呈嚴(yán)格的線性關(guān)系[27]。對(duì)這些現(xiàn)象的分燒之間并沒(méi)有協(xié)同關(guān)系。另 個(gè)在 TGA 上進(jìn) 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(shù)為 8% 時(shí)，混合物的燃盡率 于理論計(jì)算值。 當(dāng)?shù)土恕？傮w ，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 10% 以內(nèi)時(shí)，可在混合應(yīng)， 當(dāng) 物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 20% 時(shí)，則體現(xiàn)的是直垃圾混合燃燒的 TGA 研究中，發(fā)現(xiàn)著 溫度與揮發(fā)分且，在經(jīng)過(guò)預(yù)處理的城市 活垃圾與 灰分印第安煤混有眾多的學(xué)者研究了不同能源及其混合燃料燃燒過(guò)程究的結(jié)果表明，在相同的燃燒實(shí)驗(yàn)條件下（相同的終燒的難易程度以及燃燒化學(xué)強(qiáng)度不同。在 些研究中，

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本文編號(hào)：2802615