水城褐煤固定床加氢热解的实验研究.pdf

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1、水城褐煤固定床加氢热解的实验研究（申请清华大学工学硕士学位）培养单位：热能工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：陈锐指导老师：张衍国研究员二〇一五年五月StudyonHydro-PyrolysisofShuichengLigniteinFixed-bedReactorThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinPowerEngineeringandEngineeringThermophysicsby

2、ChenRuiThesisSupervisorProfessorZhangYanguo:May,2015摘要摘要我国“富煤、缺油、少气”的能源现状，迫使优化煤的利用成为我国当前的能源战略。而褐煤，作为一种低变质煤，其碳含量较低，氧含量较高，不利于直接燃烧，适合开发相应热转化工艺。热解能够使褐煤得到有效转化与利用，其工艺简单，且产生的焦油能够提炼出优质的化工原料，因此，近年来得到了广泛的研究和重视。本文针对云南东部的水城褐煤，在实验室自行设计的固定床反应器上对其在氮气和氢气气氛下热解进行了研究。本文首先分析了水城褐煤的基础特性以及热解转化特性，然后通过固定床反

3、应器在线称重系统考察其恒温条件下的失重特性，得到不同温度下的热解完全时间以及相应的半焦产率；最后考察了热解温度对热解产物分布及组成的影响，进而考察不同氢气浓度、气体停留时间以及粒径的影响规律，研究其加氢热解特性，并分析了褐煤加氢热解过程中复杂的机理。主要研究内容及结果如下：首先，恒温失重特性实验结果表明，温度越高，褐煤热解速率越快，基于每分钟质量变化率是否小于5%的判断依据，得到700℃下7min褐煤即热解完全。半焦产率随着温度的升高而降低，700℃时对应的半焦产率为52.9%。其次，水城褐煤热解特性研究结果表明，热解温度是影响热解产物及组成的重要影响因素，

4、N2气氛和15%H2气氛下，焦油收率均在700℃下达到最大值。氢气浓度的增加，使得焦油收率单调增加。在实验范围（6-16s）内，气体停留时间的增加使得焦油收率增加。而颗粒粒径的变化对焦油收率影响较小，较大的颗粒不利于焦油的生成。褐煤热解过程主要由一次反应和二次反应组成，加氢能够提高焦油收率，是因为提供的H自由基改变了二次反应历程，促进了焦油的生成。通过提高H的分压能增强加氢作用，而提高氢气浓度和气体停留时间均能够提高H的分压。加氢作用中，CO2参与反应，且随着氢气浓度的增加，焦油组分中生成了更多的BTX（苯、甲苯、二甲苯）和PCX（苯酚、甲基苯酚、二甲基苯酚

5、），这是含氧官能团转化的结果。关键词：褐煤；加氢热解；固定床；焦油；产物分布IAbstractAbstractThepresentenergysituationofrichcoalandlackofoilandgasforcedustoop-timizetheuseofcoal.Asalow-rankcoal,lignitehaslowcarboncontentandhighoxygencontent,whichleadstoanunfavorableuseofdirectcombustionandneedstodevelophigh-effectiveth

6、ermalconversionprocess.Pyrolysisisregardedasapromot-ingprocesstoutilizelignite,inwhichtar,charandgasaremajorproductsasrawmate-rialsorfuels.Inthispaper,westudiedthepyrolysisofShuichengligniteonaself-designedfixedbedreactorandespeciallyfocusedonitshydro-pyrolysis.Firstly,thebasicpyro

7、lysischaracteristicsandfeaturesofShuichenglignitewereana-lysed.Thentheisothermalmasslosscharacteristicsexperimentswereconductedonthemacro-TGAandthecompletingpyrolysistimeatdifferenttemperaturewasobtainedaswellasthecharyield.Furthermore,theinfluenceofreactiontemperatureonpyrolysispr

8、oductsdistributionandcompo