褐煤熱解分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)工藝的關(guān)鍵問題研究.pdf

1、褐煤是我國煤炭資源的重要組成部分，目前主要用于直接燃燒，存在效率低，污染嚴(yán)重且沒有有效利用所含富氫組分等問題。以褐煤熱解為基礎(chǔ)的分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)利用褐煤熱解工藝將褐煤中高活性的富氫揮發(fā)分提取出來，有助于緩解我國油氣資源短缺的局面，實(shí)現(xiàn)褐煤資源的梯級高效利用。目前，國內(nèi)外的褐煤熱解分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的研究與開發(fā)工作方興未艾，在技術(shù)的研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用過程中許多關(guān)鍵問題有待解決，如褐煤熱解特性及其調(diào)控規(guī)律、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)工藝構(gòu)成及優(yōu)化等。本

2、文針對目前熱解氣氣氛中CO、CO2和CH4等氣氛影響褐煤熱解過程特性及機(jī)理的認(rèn)識不充分和在褐煤熱解分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)建、優(yōu)化及可行性分析方面缺乏深入研究的現(xiàn)狀，開展相關(guān)實(shí)驗及系統(tǒng)模擬研究，為褐煤分級轉(zhuǎn)化多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供參考。
　　首先，搭建了慢速升溫和快速升溫固定床熱解實(shí)驗系統(tǒng)，以國內(nèi)典型褐煤—小龍?zhí)逗置簽樵希謩e開展了N2、 CO、CO2和CH4氣氛下的熱解實(shí)驗，重點(diǎn)考察了熱解氣氛濃度、熱解溫度、礦物組分、升溫速率

3、和恒溫時間等因素的影響特性，研究了CO、CO2和CH4對熱解產(chǎn)物產(chǎn)率與性質(zhì)的影響機(jī)理。
　　實(shí)驗結(jié)果表明，熱解氣氛中的CO分別在500～600℃和700～800℃溫度下發(fā)生了水汽變換反應(yīng)和歧化反應(yīng)。小龍?zhí)逗置褐懈吆康蔫F基礦物組分在水汽變換和歧化反應(yīng)中發(fā)揮了催化作用。CO歧化反應(yīng)對焦油和C1～C3氣體產(chǎn)率的影響與升溫速率有關(guān):慢速升溫時，大部分焦油和C1～C3氣體的析出過程先于歧化反應(yīng)，因此高溫時焦油和C1～C3氣體的產(chǎn)率不受歧化

4、反應(yīng)影響;快速升溫時，升溫時間短，大量焦油和C1～C3氣體在高溫時析出，此時歧化反應(yīng)生成的積碳堵塞了半焦孔隙，抑制了此時焦油和C1～C3氣體的析出。對焦油組分而言，溫度＜700℃時，CO氣氛在不同升溫速率下均促進(jìn)了焦油中多環(huán)芳烴(PAHs)和脂肪烴的析出，改善了焦油質(zhì)量;快速升溫至溫度高于700℃時，歧化反應(yīng)的存在抑制了焦油中各組分的析出。
　　CO2氣氛下的實(shí)驗研究表明，氣氛中CO2的存在提高了熱解水和焦油產(chǎn)率，抑制了H2和C1

5、-C3氣體的產(chǎn)生。溫度低于600℃時，CO2對半焦和CO產(chǎn)率呈惰性，溫度升至600℃以上，CO2與半焦發(fā)生氣化反應(yīng)，降低了半焦產(chǎn)率、提高了CO產(chǎn)率、促進(jìn)了褐煤中碳元素的析出和半焦的著火燃燒。褐煤中礦物組分在氣化反應(yīng)中發(fā)揮了催化劑的作用。研究發(fā)現(xiàn)，CO2氣氛對褐煤熱解產(chǎn)物產(chǎn)率的作用不隨升溫速率變化而改變。氣化反應(yīng)對焦油產(chǎn)率和組分的影響與升溫速率有關(guān):在低升溫速率條件下，氣化反應(yīng)對焦油產(chǎn)率無影響，CO2氣氛促進(jìn)了輕質(zhì)芳烴、酚類、PAHs和脂

6、肪烴產(chǎn)率;高升溫速率條件下，焦油析出與CO2氣化同時存在，CO2氣化促進(jìn)了焦油中重質(zhì)組分的析出。
　　對比CH4和N2氣氛下的結(jié)果表明，CH4氣氛在不同升溫速率下均對CO2和CO產(chǎn)率沒有明顯影響。溫度高于600℃時，熱解氣氛中的CH4在煤中有機(jī)質(zhì)的催化作用下裂解生成H2和碳，提高了氫氣和半焦產(chǎn)率，降低了碳轉(zhuǎn)化率，不利于半焦的著火燃燒。慢速升溫時，焦油和C1～C3的析出過程與甲烷裂解過程不重疊，因而不受甲烷裂解過程影響;快速升溫時，

7、甲烷裂解生成的自由基促進(jìn)了焦油中重質(zhì)組分和多環(huán)芳烴以及甲基等烴類基團(tuán)的穩(wěn)定，提高了焦油和C1～C3產(chǎn)率。
　　以液體燃料和電力為目標(biāo)產(chǎn)品，構(gòu)建了以褐煤為原料的2×300MWe亞臨界循環(huán)流化床熱解燃燒分級轉(zhuǎn)化熱、電、甲醇及燃料油多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)采用的技術(shù)方案為:褐煤采用流化床熱解技術(shù);半焦采用常規(guī)循環(huán)流化床鍋爐火電機(jī)組燃燒發(fā)電;煤氣提氫用于焦油加氫精制合成燃料油;少氫煤氣經(jīng)甲烷重整后合成高純度甲醇;合成尾氣用于燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)

8、發(fā)電。利用Aspen Plus流程模擬軟件建立了多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和常規(guī)循環(huán)流化床發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)模型，結(jié)合本文實(shí)驗結(jié)果預(yù)測了流化床熱解爐的熱解結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上計算并對比了多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和常規(guī)亞臨界循環(huán)流化床發(fā)電機(jī)組的系統(tǒng)效率、固定投資、內(nèi)部收益率和投資回報期等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，考察了市場價格波動的不確定性，全面評估多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的可行性。計算結(jié)果表明，雖然多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)更加復(fù)雜，設(shè)備投資比常規(guī)發(fā)電機(jī)組高，但具有效率高、效益好等優(yōu)勢。多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的系統(tǒng)效率達(dá)到4