基于多物理場的褐煤微波熱解制氣特性及機理研究.pdf

1、我國已探明的褐煤保有儲量達1300億噸，占全國煤炭資源總儲量的13％。作為典型的低階煤種，褐煤由于高水分、高灰分、低熱值、易自燃的特點，目前主要用于直接燃燒發(fā)電，存在效率低，二氧化碳和污染物排放嚴重，且褐煤中氫含量較高的優(yōu)勢未得到有效利用等問題。采用清潔、高效的微波加熱技術將褐煤熱解，獲得富含H2、CO和CH4的優(yōu)質熱解氣、焦油和半焦，是煤炭資源清潔高效利用的途徑之一。
　　針對目前褐煤微波熱解主要氣態(tài)產(chǎn)物生成特性認識不充分，微波

2、與褐煤熱解反應體系間交互作用機理缺乏深入研究的現(xiàn)狀，本文以我國儲量最大的典型褐煤——蒙東褐煤為對象，從微波及褐煤介電特性的角度，開展相關實驗及理論研究。通過構建褐煤復介電系數(shù)溫度函數(shù)及褐煤微波熱解過程多物理場耦合數(shù)值計算模型，提出了微波與褐煤熱解反應體系之間交互作用的機理，確定了影響褐煤微波熱解制氣過程的根本因素。并據(jù)此對褐煤復介電系數(shù)和微波電場強度及分布均勻性進行優(yōu)化，提高了褐煤微波熱解制氣效率及有效組分H2、CO的含量，為實現(xiàn)褐煤微

3、波熱解制氣技術的工業(yè)化應用提供依據(jù)。
　　通過FT-IR、13C-NMR、SEM、XRD、溶劑抽提-GC/MS和TG-DTG等方法對褐煤的基本物理、化學結構特征進行了表征與分析，結果顯示:蒙東褐煤屬于典型的低階煤種，碳原子無序化程度較高，芳香環(huán)縮合程度較低;分子結構中含有大量含氧官能團、長鏈支鏈結構及締合的氫鍵，形成相互交聯(lián)的大分子網(wǎng)狀結構;具有明顯的片狀化形貌，層片內(nèi)褐煤結構較為致密，層片間裂隙較多;350～750℃是褐煤熱解反

4、應的主要溫度區(qū)間。
　　與常規(guī)熱解相比，褐煤微波熱解升溫過程及主要氣態(tài)產(chǎn)物生成表現(xiàn)出許多特殊規(guī)律:微波熱解過程中，煤樣表現(xiàn)出溫度場分布不均，溫差較大(～500℃);褐煤達到熱解反應開始溫度Tini之前，升溫緩慢，而在Tini之后，溫度驟升，升溫過程非線性變化;隨著微波輸入功率的加大，溫度驟升時間提前。加熱46min后主要氣態(tài)產(chǎn)物集中生成，產(chǎn)氣量明顯低于常規(guī)熱解方式;但其中有效組分H2、CO含量分別由40.04％、20.17％提高至

5、51.51％、30.76％，CO2含量則下降了10.73％。
　　為解釋褐煤微波熱解與常規(guī)熱解不同的特殊規(guī)律，借助微波工程學的理論和方法，構建褐煤復介電系數(shù)溫度函數(shù)及褐煤微波熱解過程多物理場耦合數(shù)值計算模型，解析熱解過程中微波電磁場以及褐煤復介電系數(shù)、溫度場的變化歷程，提出微波與褐煤熱解反應體系交互作用的機理:褐煤微波熱解是微波多物理場與褐煤熱解反應體系交互作用的過程，其主要氣態(tài)產(chǎn)物的生成與褐煤復介電系數(shù)、微波電場強度分布和熱解過

6、程煤樣溫度場分布均有關。熱解過程中褐煤分子的結構變化，使得其復介電系數(shù)是隨溫度非線性變化的函數(shù);褐煤升溫速率取決于微波電場強度與復介電系數(shù)的大小。褐煤復介電系數(shù)越高，微波電場強度越強，升溫速率越快;在微波電場與褐煤熱解反應體系交互反饋作用下，溫度驟升，加速熱解反應的進行，使主要氣態(tài)產(chǎn)物的生成速率提高。微波以駐波場分布，電場強度不均，造成煤樣升溫速率不同，熱解過程溫度場分布不均，反應進度不同。
　　根據(jù)微波與褐煤熱解反應體系交互作用

7、機理，增大復介電系數(shù)、增強微波電場強度及分布均勻性是提高褐煤微波熱解制氣效率的根本途徑。因此，本文分別采用填充異質材料——半焦以增大煤樣等效復介電系數(shù)和增加微波場模式攪拌器建立勻場微波條件以增強微波電場強度及分布均勻性兩種方式，對褐煤微波熱解制氣過程進行優(yōu)化改進，以提高制氣效率及有效組分含量，結果表明:
　　填充半焦后，褐煤在Tini之前的升溫速率提高，溫度驟升提前，加熱5min后主要氣態(tài)產(chǎn)物即開始生成，熱解反應在40min內(nèi)即可

8、完成;溫度場分布均勻性改善，煤樣溫差降至～100℃。填充比在0～20％區(qū)間，煤樣等效復介電系數(shù)增大有限，主要表現(xiàn)為微波對填充相的選擇性“優(yōu)先加熱”，主要氣態(tài)產(chǎn)物的生成速率表現(xiàn)出明顯的兩段式特征，H2在產(chǎn)氣初期即開始生成。當填充比達到30％時，煤樣等效復介電系數(shù)增大明顯，引起微波電場強度及分布的改變，主要表現(xiàn)為整體快速升溫，主要氣態(tài)產(chǎn)物生成速率驟升，CO2是最先生成的組分。與原微波熱解條件相比，半焦填充比20％時，主要氣態(tài)產(chǎn)物總產(chǎn)量增加2

9、.7倍，單位體積能耗下降83％，有效組分H2、 CO含量分別為51.18％、28.19％，可取得最佳效果。增大煤樣等效復介電系數(shù)能大幅提高褐煤微波熱解制氣效率;控制填充比，還可對主要氣態(tài)產(chǎn)物的生成過程進行管控。
　　在所建立的勻場微波條件下，褐煤熱解過程整體升溫速率快，溫度驟升出現(xiàn)時間短，峰值～830℃，溫度場分布均勻，整體熱解程度相同，主要氣態(tài)產(chǎn)物集中生成，可視為溫度驟升的“等溫熱解”過程。與原微波熱解條件相比，主要氣態(tài)產(chǎn)物總產(chǎn)

10、量增加3.5倍，單位體積能耗下降90％，有效組分H2及CO的含量分別顯著提高至52.93％和34.52％。反應動力學研究表明，褐煤勻場微波熱解過程中主要氣態(tài)產(chǎn)物CO2的生成反應級數(shù)為～0.8，CO、CH4和H2的生成反應級數(shù)則均為～0.6。增強微波電場強度分布均勻性，能夠顯著提高褐煤微波熱解制氣效率，增加有效組分H2和CO的含量，且優(yōu)于填充半焦方式。
　　通過與蒙東褐煤性質差異較大的典型軟褐煤——澳大利亞褐煤的熱解實驗，對褐煤微波