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在中国科学院过程工程研究所做博士后的两年多时间里,主要完成了两部分工作,一是设计和建立了一个多功能实验平台,二是探讨了煤对高压CH4的吸附特征,主要内容简介如下:
工作一、设计和建立实验平台
在能源问题日趋突出的大背景下,结合课题组的专业优势和发展定位,以中国科学院过程工程研究所提出的煤拔头工艺原理为基础,设计和建立了煤处理量达30kg/h或生物质50kg/h的多功能实验平台。该平台以循环流化床技术为依托、以最大限度获取液态产物为目的,实现煤或生物质的快速热解转化。
煤拔头工艺是一种快速热解工艺,也是一种多联产技术,能实现热、电、气和油的四联产,符合煤或生物质转化的发展趋势。本工艺采用了以下关键技术:采用下行床实现煤或生物质的快速热解,采用快速分离和快速冷却技术提高液态产率和轻油馏分。设计过程中,首先根据小型实验结果,确定煤或生物质的最佳热解温度,然后对煤和生物质两种原料分别进行物料和热量衡算,获得了基础参数。在此基础上,计算出了维持系统热量需要燃烧的半焦量以及系统运行中的气体流量。之后根据这些参数,对系统的主要部件进行了计算和设计,其中包括点火器和燃烧炉、提升管、惯性分离器、U形阀、热解反应器、气固快速分离器、快速冷却器等。部件加工和安装完成后,进行了系统的安装和调试工作,经过多次调试,打通了流程、确定了操作参数并建立了操作规程。最后,以玉米秸秆为原料进行了加料运行实验。虽然调试结果表明系统仍存在着诸多需要改进的地方,但是证明本工艺是可行的,系统是可操作的。
本平台的建立和运行,为进一步进行煤或生物质的转化等相关研究提供了硬件基础,将为继续验证煤拔头工艺的技术可行性和可操作性提供依据,也将为示范性工程的设计、建立和运行提供技术支持。
工作二:煤吸附高压CH4的特征
和传统意义的吸附行为相比(温度低于临界温度,压力低于饱和蒸气压),高压气体的吸附行为具有其特有的规律。在煤地质领域,煤层气的储集机理和成藏过程、深部煤层和煤层气的勘探开发以及深部不可采煤层封存CO2置换CH4理论等,都涉及到了高压气体的吸附问题,由于目前对煤吸附高压CH4和CO2等气体的认识还很不够,导致对一些现象产生了困惑甚至是误解。
本次研究选用了4种不同变质程度的煤样,对其进行了高压CH4的吸附实验,实验的最高平衡压力均超过了20MPa。结合实验结果和理论分析,解释了过剩吸附量等温线出现峰值的原因,并总结了过剩吸附量等温线出现峰值的规律。根据煤的孔隙结构特点、高压气体吸附规律、煤表面和CH4分子的微观作用关系和煤层气储层条件等因素,提出了煤吸附高压CH4的3个理论假设。之后在该理论假设的基础上,对Ono-Kondo格子模型进行了简化和变形处理,获取了描述煤吸附高压CH4过剩吸附量等温线的方程。通过对实验数据的验证,说明可以用Ono-Kondo格子模型来表征煤吸附高压CH4的过剩吸附量等温线。研究成果进一步丰富了煤吸附气体理论,提高了对深部煤层气赋存规律的认识。