發(fā)布時間：2017-04-06 06:05

  本文關(guān)鍵詞：煤矸石的微波加熱特性及其煤層氣脫氧工藝研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：煤層氣和煤矸石是采煤過程產(chǎn)生的兩種廢棄物,煤層氣的主要成分為甲烷,是一種潛在的非常規(guī)天然氣資源。由于在井下抽采作業(yè)時混入空氣,直接使用容易發(fā)生爆炸,因此必須首先進(jìn)行脫氧處理;煤矸石是一種熱值低、灰分高、難于燃燒的固體廢棄物,大量堆放會占用土地并且?guī)韲?yán)峻的環(huán)境污染問題。本課題組在前期研究中提出加熱煤矸石進(jìn)行煤層氣脫氧的工藝,可有效脫除煤層氣中的O2和煤矸石中的碳,同時實現(xiàn)兩種廢棄物的資源化利用。但傳統(tǒng)電爐加熱時間長、能量利用效率低,在大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)性較差。而微波輻射是一種快速高效的加熱方式,目前已成功應(yīng)用于選礦和冶金工業(yè)中。本文以微波加熱煤矸石脫除煤層氣中的O2為主要內(nèi)容,針對煤矸石的微波加熱特性、不同工藝參數(shù)對脫氧效果的影響規(guī)律及其背后的機(jī)理性原因進(jìn)行了研究與討論,并得到了最優(yōu)的工藝參數(shù),具體研究內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)通過常規(guī)與微波加熱對比,發(fā)現(xiàn)煤矸石在微波加熱下可快速升溫。經(jīng)過對煤矸石組分微波加熱性能的研究,發(fā)現(xiàn)其中非炭質(zhì)的礦物組分微波吸收較弱對材料升溫作用不大,炭質(zhì)組分的存在是煤矸石快速升溫的主要原因。另外炭質(zhì)組分的石墨化則進(jìn)一步提高了材料的微波加熱性能。(2)針對煤矸石炭質(zhì)組分石墨化的現(xiàn)象,采用TEM、XRD、Raman等進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,隨著溫度的升高,煤矸石結(jié)構(gòu)變得規(guī)整,石墨化程度加大,煤矸石的微波加熱性能提高。該過程可能是微波作用使得碳遷移更加有序,從而實現(xiàn)了炭質(zhì)組分在較低溫度下的石墨化,焦炭在微波加熱下的石墨化轉(zhuǎn)變進(jìn)一步強化了該認(rèn)識。(3)本文討論了微波加熱前后煤矸石織構(gòu)性質(zhì)變化對脫氧效果的影響,結(jié)果表明微波加熱提高了煤矸石的比表面積,促進(jìn)了其與煤層氣的接觸,增強了脫氧效果。(4)針對脫氧過程中甲烷損失現(xiàn)象,結(jié)合實驗結(jié)果與文獻(xiàn)相關(guān)研究進(jìn)行了深入討論,結(jié)果表明甲烷裂解可能是導(dǎo)致甲烷損失的主要原因。反應(yīng)溫度升高和煤矸石中炭質(zhì)組分含量增加都會促進(jìn)甲烷的裂解。(5)研究了微波加熱溫度,煤矸石種類、用量、粒徑以及煤層氣氧含量對脫氧效果和甲烷損失的影響。結(jié)果顯示,微波加熱溫度通過改變氧化反應(yīng)速率和甲烷裂解量影響煤層氣的脫氧效果;不同煤矸石因炭質(zhì)組分含量不同,導(dǎo)致脫氧效果不同;煤矸石用量影響與煤層氣的接觸面積和接觸時間,而粒徑的變化影響堆積孔隙率,從而影響O2脫除效果;煤層氣中的氧含量越高越有利于甲烷裂解反應(yīng)。優(yōu)化后最佳工藝條件:溫度650 oC,煤矸石粒徑124μm,用量100 g,流速300 mL/min,對氧含量小于16.8%的煤層氣脫氧,可實現(xiàn)O2含量低于1%,CH4損失低于2.2%的結(jié)果。
【關(guān)鍵詞】：微波加熱 煤層氣 煤矸石 升溫特性 脫氧 石墨化
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD849.5;TE64
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 緒論12-34
• 1.1 研究背景12-14
• 1.2 煤層氣脫氧技術(shù)14-21
• 1.2.1 燃燒法14-16
• 1.2.2 低溫精餾分離法16-18
• 1.2.3 水合物分離法18-19
• 1.2.4 膜分離法19-20
• 1.2.5 物理吸附法20-21
• 1.2.6 化學(xué)吸附法21
• 1.2.7 生物法[47]21
• 1.3 煤矸石概述21-28
• 1.3.1 來源及產(chǎn)量21-22
• 1.3.2 主要化學(xué)成分22-23
• 1.3.3 加熱過程中各種組分的變化23-26
• 1.3.4 煤矸石導(dǎo)致的環(huán)境問題及利用現(xiàn)狀26-28
• 1.4 微波理論基礎(chǔ)及應(yīng)用研究現(xiàn)狀28-32
• 1.4.1 微波理論基礎(chǔ)28-31
• 1.4.2 微波加熱的應(yīng)用研究31-32
• 1.5 本論文的主要研究內(nèi)容32-34
• 第二章 實驗部分34-42
• 2.1 實驗原料及儀器34-36
• 2.1.1 實驗原料34-36
• 2.1.2 實驗儀器36
• 2.2 表征方法36-38
• 2.2.1 工業(yè)分析36-37
• 2.2.2 元素分析37
• 2.2.3 透射電子顯微鏡（TEM）37
• 2.2.4 X-射線衍射分析（XRD）37-38
• 2.2.5 拉曼光譜38
• 2.2.6 氮吸附38
• 2.3 實驗內(nèi)容38-42
• 2.3.1 微波加熱裝置及實驗38-40
• 2.3.2 色譜檢測40-41
• 2.3.3 數(shù)據(jù)處理41-42
• 第三章 煤矸石和焦炭在微波中的特性研究42-56
• 3.1 物質(zhì)在微波場中的升溫行為42-44
• 3.1.1 微波加熱對物質(zhì)的影響42-43
• 3.1.2 微波加熱原理及影響因素43-44
• 3.2 常規(guī)加熱和微波加熱預(yù)處理的影響44-46
• 3.3 煤矸石中炭質(zhì)組分和礦物組分的微波加熱特性46-47
• 3.4 煤矸石和焦炭在微波加熱前后的結(jié)構(gòu)變化47-54
• 3.4.1 TEM表征47-48
• 3.4.2 XRD表征48-50
• 3.4.3 拉曼光譜表征50-52
• 3.4.4 N2吸附表征52-54
• 3.5 小結(jié)54-56
• 第四章 微波加熱煤矸石用于煤層氣脫氧反應(yīng)工藝條件研究56-66
• 4.1 煤矸石種類對脫氧效率的影響57-58
• 4.1.1 氧氣的脫除57-58
• 4.1.2 甲烷損失率58
• 4.2 煤矸石用量對脫氧效率的影響58-61
• 4.2.1 氧氣的脫除58-59
• 4.2.2 甲烷損失率59-61
• 4.3 煤矸石粒徑對脫氧效率的影響61-63
• 4.3.1 氧氣的脫除61-62
• 4.3.2 甲烷損失率62-63
• 4.4 不同氧濃度煤層氣的脫氧效率63-64
• 4.4.1 氧氣的脫除63-64
• 4.4.2 甲烷損失率64
• 4.5 小結(jié)64-66
• 第五章 結(jié)論與建議66-68
• 5.1 結(jié)論66-67
• 5.2 創(chuàng)新性67
• 5.3 建議67-68
• 參考文獻(xiàn)68-76
• 致謝76-78
• 在讀期間研究成果78

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