【摘要】：煤熱解是煤熱加工利用的第一步反應,熱解動力學模型可以預測熱解反應速率,有助于理解煤熱解過程中化學組分的相互作用、元素遷移及揮發(fā)分生成規(guī)律并預測熱解產(chǎn)物分布。當前文獻中已經(jīng)報道多種熱解動力學模型,評估其對不同煤種及熱解工藝的適應性,厘清熱解動力學模型參數(shù)選擇的差異性,可為熱解工藝及反應器的設計提供參考;研究熱解過程中化學結構之間的相互作用機制,對完善熱解反應理論及動力學模型具有重要意義。本文選取了三種低階煤作為樣本進行研究,通過吡啶抽提實驗、元素分析、工業(yè)分析以及~(13)C-NMR固體核磁實驗確定了煤樣化學結構基本組成,在此基礎上開展了熱重(TG)實驗研究(升溫速率10-50),研究發(fā)現(xiàn)吐魯番褐煤脂碳占總碳原子百分比相對于其他兩種次煙煤高;對于三種煤樣羧基碳含量較少,除天池煤外,其余兩種煤樣則有較為明顯的羰基碳峰值。同時使用FWO模型、Friedman模型及KAS模型分析了三種低階煤樣TG脫揮發(fā)分動力學,評估了模型的適應性發(fā)現(xiàn)等轉化率方法中FWO模型能夠較好地描述TGA數(shù)據(jù)。同時采用分布活化能模型預測了三種低階煤熱解反應速率,根據(jù)等轉化率方法中得到的指前因子分布函數(shù),確定了適用于分布活化能模型中的不同煤種指前因子值,解決了以往分布活化能模型中指前因子選擇存在任意性的困難。進而評估了反應級數(shù)、反應溫度指數(shù)、反應階段數(shù)以及活化能分布函數(shù)類型的影響,發(fā)現(xiàn)雙高斯分布活化能n級反應模型對于三種煤樣的TG曲線擬合最好。本文采用居里點裂解器(PY)對準東煤進行了快速熱解實驗研究,升溫速率高達2000,研究發(fā)現(xiàn)當最終的熱解溫度約為1200 K左右時,顆粒的內(nèi)部熱量足以促進各種反應,并且煤顆粒中的溫度梯度將降低。但溫度低于1100 K時,由于煤顆粒局部發(fā)生熱解導致不穩(wěn)定橋,外圍結構等化學組分產(chǎn)生的變化不同,因此失重隨粒徑變化出現(xiàn)一定差異。同時采用大分子網(wǎng)格模型對熱失重過程進行預測,提出不穩(wěn)定橋競爭與協(xié)調(diào)熱解模型,很好的預測并解釋了高溫下非冷凝氣體與焦油釋放的不同步的現(xiàn)象,且能夠較好地預測準東煤在PY快速裂解實驗中的失重并揭示不同化學結構隨溫度變化的反應機理。實際工業(yè)中煤焦是熱解的主要產(chǎn)物之一,熱解過程對煤焦表觀形貌變化具有重要影響。本文自行設計流化床熱解裝置,并成功制備了煤焦顆粒,與快速PY裂解制備煤焦進行了對比研究,發(fā)現(xiàn)流化床制備煤焦孔隙更為豐富;隨熱解溫度的增高,PY裂解條件下煤焦粒徑先減小后略微增加,而流化床熱解制備的煤焦粒徑減小;相較于原煤而言,兩種熱解條件下顆粒二維球形度均呈現(xiàn)出減小的趨勢。
【學位授予單位】：西北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ530.2
【圖文】：

物釋放機理還不完善。為了獲取煤在熱解過程中的動力學參數(shù)，實現(xiàn)輕質(zhì)氣體，焦油以及各個化學結構變化的預測，滿足低階煤熱解分級煉制后續(xù)工藝對熱解單元產(chǎn)物分布的利用，本文依托國家自然科學基金 低階煤催化熱解流化床多組分顆粒分布及固體相微觀行為，對基于低階煤不同熱解工藝建立熱解模型進行了分析研究，并對流化床熱解煤焦進行了微觀表征，得到了熱解溫度對煤焦表觀形貌的影響機制。本文的主要研究內(nèi)容如圖 1-1 所示，首先對煤顆粒分別進行熱重，PY 居里點裂解以及流化床熱解三種工藝，并且同時用元素分析，13C-NMR 和吡啶抽提得到了煤的化學結構參數(shù)；對于熱重法得到的失重曲線分別采用等轉化率模型和分布活化能模型擬合得到了相應的動力學參數(shù)；對于 PY 裂解條件下得到的失重曲線，首先使用煤化學結構作為輸入?yún)?shù)，得到了 Flashchain 模型中直鏈分子構型，并進一步改進不穩(wěn)定橋反應機理對煤快速熱解失重進行預測,得到不同微觀結構隨熱解溫度的變化情況；最后分別分析PY裂解條件下得到的煤焦與流化床熱解條件下制備的煤焦孔隙結構與物理特征參數(shù)，比較兩種制焦方法的差異。

圖 2-1 煤樣吡啶抽提實驗裝置Fig.2-1 pyridine extraction experiment devi究驗現(xiàn)煤樣在熱解過程中失重的實時檢測，且加能夠得到在中低速熱解條件下不同溫度段的可以滿足模型擬合法在熱解動力學中的應用系統(tǒng)為常壓熱重分析儀(德國耐馳，STA449在常溫下冷卻至室溫，將坩堝取出，稱取

（a）示意圖石英玻璃管電加熱質(zhì)量流量控制器氮氣瓶入料口熱電偶控制閥氣體出布風板aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa aaaaaaa aaaaaaaa流化床壓閥制閥紗網(wǎng)

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本文編號：2779031