低阶煤催化热解定向转化及机理研究

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我国是世界上煤炭生产和消费的第一大国,有着储量丰富的煤炭资源,其中低阶煤占有55%以上。低阶煤具有水分高和挥发分高的优点,是优良的中低温热解原料。为了实现低阶煤热解的定向转化,目前的研究主要集中于煤的催化热解,通过加入添加剂来调节热解产物的组成及收率。本论文选用的低阶煤为黄陵煤(HL)、子长禾草沟煤(HG)和山西大同煤(DT),选择KCl、CaO和Fe2O3作为添加剂,通过添加量的变化,从TG和DTG角度探究并总结添加剂的最佳添加量,分别从煤样气体成分的变化和动力学反应过程分析反应机理,对煤样催化热解的产物进行特性分析。论文主要研究结果如下:(1)从热重分析的角度探讨了添加剂对低阶煤催化热解特性的影响。从TG和DTG图中可以得出,加入添加剂煤样的热解温度,失重程度和最大失重速率均发生明显的变化,热解的温度逐渐降低,失重程度和最大失重速率均升高。但是,过多地添加添加剂,煤热解会被抑制。因此,添加剂的加入存在一个最佳量。(2)使用铝甑低温干馏炉,当三种添加剂的量均为1.5%时,对煤样的催化热解产品分布特性进行了研究。实验结果表明:三种不同种类的添加剂对三种低阶煤样热解产品可以实现定向转化,KCl对焦油产率的影响最大,CaO对煤气收率的影响最大,Fe2O3对半焦的产率影响最大。(3)用气相色谱仪对热解所得煤气成分的变化进行了研究,探讨了煤样催化热解的机理。添加剂的加入,使黄陵煤、子长禾草沟煤和山西大同煤的H2、CO、CH4和CO2产率均有所增大,进而可以得出添加剂的加入可以促进缩合反应、烃类的裂解、羰基和羧基的分解和侧链的断裂。(4)从动力学角度,探讨了三种煤样的催化热解的反应机理。实验采用热重分析对煤催化热解的动力学进行了研究,通过一定的数据拟合求得动力学参数E和A,它们的拟合系数均在0.9以上。因此,Coats-Redfern法适合于三种煤样的催化热解过程。研究表明:随着添加剂的加入,黄陵煤的热解活化能降低,热解的温度区间缩小,使得反应更加容易进行;子长禾草沟煤在低温阶段,活化能由原来的28.46k J/mol降低到了15.04kJ/mol,煤热解反应的活化能降低,反应进行程度变大;山西大同煤的热解区域分为461℃-700℃和700℃-760℃两个区域。添加添加剂后,各区域的温度界显著降低,说明添加剂的加入促进了山西大同煤的热解,使热解温度明显降低。
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