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由褐煤和次烟煤等构成的低阶煤占我国煤炭储量的50%以上,富含挥发分,其高效综合利用具有重要意义。现有利用低阶煤的技术包括直接燃烧、气化和干馏。本研究有关低阶煤干馏制备半焦和热解油气,具体针对现有基于移动床的干馏技术不能处理小粒径(如,＜15mm)碎煤的问题,提出利用耦合流化床气化和输送床热解的新型煤分级热解工艺,以制备含碳量大于给定值的小粒径半焦(兰炭)为目标,针对工艺反应器特点,通过冷态实验研究优化煤分级操作参数,通过热态基础实验获得制备合格半焦产品的热解条件,并最终建立和运行了复合流化床低阶煤分级热解模式装置,验证碎煤分级热解技术的可行性。
本论文的主要研究内容和获得的结果如下:
1.复合流化床碎煤气力分级与输送特性。以粒径≤10mm的碎煤颗粒为对象,以尽量减少底部粗颗粒组分中小于某个粒径的细颗粒的含量为目的,在集成流化床与输送床的连续进料冷态复合床分级实验装置中,考察了底部流化床表观气速、进料口位置、进料速率以及复合床结构及构件对颗粒分级的影响。这里,上部输送床的气速足够大,确保了底部流化床气流夹带的全部细颗粒被带到复合床顶部。结果表明:对于不同分割粒径的煤颗粒分级,都存在一个实现最高牛顿分级效率的最优分级气速。在复合床中自上部输送床段进料有利于颗粒的带出和提高1-4mm颗粒的分级效率,且低颗粒进料速率时的分级效果更佳。提高底部颗粒溢流的出料口位置而延长颗粒在底部流化床中的停留时间有利于细颗粒的夹带,从而使分级效率增加。在流化床中设置竖直挡板抑制了颗粒的带出,降低了颗粒分级效率。
2.低阶碎煤热解工艺条件及产品分析。在间歇与连续流化床中研究了热解温度、O2浓度、原煤粒径及在床内停留时间对小粒径低阶碎煤制备兰炭(半焦)的工艺条件,采用XRD、SEM、BET、Raman等表征评价了半焦品质,用模拟蒸馏及GC-MS/MS对焦油的组分及品质进行了分析。结果表明:(1)工艺条件:针对粒径1.13mm的新疆准东不粘煤在间歇流化床中热解温度大于850℃,O2浓度及热解时间分别不低于3vol.%和120s时可制得固定碳含量高于82wt.%的兰炭。连续流化床中反应温度高于750℃,停留时间为180s时,热解所得半焦中固定碳含量均高于82wt.%。(2)温度影响:温度升高,半焦的比表面积与晶面层间距d002减小,H、O元素含量下降,反应活性呈降低趋势。(3)高温下焦油中链烃及酚类化合物含量降低,苯类与PAHs成分增多。
3.复杂气氛中低阶碎煤热解与产物分析。在连续进出料的流化床中研究了含有不同浓度O2、H2、CO、CO2、CH4的反应气氛对热解产物分配、气体和焦油组成及半焦氧化活性的影响。结果表明:(1)产物分布:气体产率随过量空气系数(ER)升高而增加;ER小于0.1时,O2的加入使CO含量明显增加,半焦及焦油产率降低;无O2气氛中,H2与CO2的存在降低了焦油产率,而CO与CH4的存在促进了焦油生成,CH4的裂解析碳使半焦产率上升。在有O2气氛中,反应气氛对产物分布和气体组成的影响与热解气体、半焦和焦油的氧化速率及气化反应速率紧密相关。(2)半焦特性:ER增加,半焦的比表面积先增加后降低,ER=0.064时半焦的比表面积及反应活性均最高。CO2的气化作用促进了微孔的生成,使半焦的比表面积快速增加,半焦的反应活性趋于最高。CO歧化与CH4热裂解产生的析碳可堵塞部分孔道,因此降低了半焦的比表面积。H2与CH4所产生的氢自由基能渗透到半焦内部,引起半焦化学结构的缩聚,影响其氧化反应活性。(3)焦油组成:ER增加,PAHs先降低后升高。CH4促进了烷基萘与苯类的生成,CO则趋于抑制酚类化合物的裂解生成苯类的反应。
4.低阶碎煤复合流化床分级热解模式实验。基于上述实验室研究结果,设计建立了煤处理量6.0kg/h、高7.5m的碎煤分级热解热态模式实验装置,通过调试运行,考察了煤分级热解效果随输送床温度、加料口位置的变化。结果表明:输送床进料时,小颗粒煤热解不充分,半焦中残留的挥发分较多,半焦产品的品质不符合兰炭要求。流化床进料时,半焦总产率下降,然而小颗粒煤优先被氧化,有效降低了大颗粒半焦的气化速率,从输送床与流化床收集到的半焦产品中的固定碳含量均高于82wt.%,符合兰炭的质量要求,从而证明了复合流化床分级热解制备碎煤兰炭的技术可行性,并基本建立了对应的工艺条件。