基于多物理場(chǎng)的褐煤微波熱解制氣特性及機(jī)理研究.pdf

1、我國(guó)已探明的褐煤保有儲(chǔ)量達(dá)1300億噸，占全國(guó)煤炭資源總儲(chǔ)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(diǎn)，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(yán)重，且褐煤中氫含量較高的優(yōu)勢(shì)未得到有效利用等問(wèn)題。采用清潔、高效的微波加熱技術(shù)將褐煤熱解，獲得富含H2、CO和CH4的優(yōu)質(zhì)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(duì)目前褐煤微波熱解主要?dú)鈶B(tài)產(chǎn)物生成特性認(rèn)識(shí)不充分，微波

2、與褐煤熱解反應(yīng)體系間交互作用機(jī)理缺乏深入研究的現(xiàn)狀，本文以我國(guó)儲(chǔ)量最大的典型褐煤——蒙東褐煤為對(duì)象，從微波及褐煤介電特性的角度，開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)及理論研究。通過(guò)構(gòu)建褐煤復(fù)介電系數(shù)溫度函數(shù)及褐煤微波熱解過(guò)程多物理場(chǎng)耦合數(shù)值計(jì)算模型，提出了微波與褐煤熱解反應(yīng)體系之間交互作用的機(jī)理，確定了影響褐煤微波熱解制氣過(guò)程的根本因素。并據(jù)此對(duì)褐煤復(fù)介電系數(shù)和微波電場(chǎng)強(qiáng)度及分布均勻性進(jìn)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(shí)現(xiàn)褐煤微

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

4、應(yīng)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(guò)程及主要?dú)鈶B(tài)產(chǎn)物生成表現(xiàn)出許多特殊規(guī)律:微波熱解過(guò)程中，煤樣表現(xiàn)出溫度場(chǎng)分布不均，溫差較大(～500℃);褐煤達(dá)到熱解反應(yīng)開(kāi)始溫度Tini之前，升溫緩慢，而在Tini之后，溫度驟升，升溫過(guò)程非線性變化;隨著微波輸入功率的加大，溫度驟升時(shí)間提前。加熱46min后主要?dú)鈶B(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(xué)的理論和方法，構(gòu)建褐煤復(fù)介電系數(shù)溫度函數(shù)及褐煤微波熱解過(guò)程多物理場(chǎng)耦合數(shù)值計(jì)算模型，解析熱解過(guò)程中微波電磁場(chǎng)以及褐煤復(fù)介電系數(shù)、溫度場(chǎng)的變化歷程，提出微波與褐煤熱解反應(yīng)體系交互作用的機(jī)理:褐煤微波熱解是微波多物理場(chǎng)與褐煤熱解反應(yīng)體系交互作用的過(guò)程，其主要?dú)鈶B(tài)產(chǎn)物的生成與褐煤復(fù)介電系數(shù)、微波電場(chǎng)強(qiáng)度分布和熱解過(guò)

6、程煤樣溫度場(chǎng)分布均有關(guān)。熱解過(guò)程中褐煤分子的結(jié)構(gòu)變化，使得其復(fù)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(chǎng)強(qiáng)度與復(fù)介電系數(shù)的大小。褐煤復(fù)介電系數(shù)越高，微波電場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，升溫速率越快;在微波電場(chǎng)與褐煤熱解反應(yīng)體系交互反饋?zhàn)饔孟拢瑴囟润E升，加速熱解反應(yīng)的進(jìn)行，使主要?dú)鈶B(tài)產(chǎn)物的生成速率提高。微波以駐波場(chǎng)分布，電場(chǎng)強(qiáng)度不均，造成煤樣升溫速率不同，熱解過(guò)程溫度場(chǎng)分布不均，反應(yīng)進(jìn)度不同。
　　根據(jù)微波與褐煤熱解反應(yīng)體系交互作用

7、機(jī)理，增大復(fù)介電系數(shù)、增強(qiáng)微波電場(chǎng)強(qiáng)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(zhì)材料——半焦以增大煤樣等效復(fù)介電系數(shù)和增加微波場(chǎng)模式攪拌器建立勻場(chǎng)微波條件以增強(qiáng)微波電場(chǎng)強(qiáng)度及分布均勻性兩種方式，對(duì)褐煤微波熱解制氣過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，以提高制氣效率及有效組分含量，結(jié)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?dú)鈶B(tài)產(chǎn)物即開(kāi)始生成，熱解反應(yīng)在40min內(nèi)即可

8、完成;溫度場(chǎng)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(fù)介電系數(shù)增大有限，主要表現(xiàn)為微波對(duì)填充相的選擇性“優(yōu)先加熱”，主要?dú)鈶B(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(kāi)始生成。當(dāng)填充比達(dá)到30％時(shí)，煤樣等效復(fù)介電系數(shù)增大明顯，引起微波電場(chǎng)強(qiáng)度及分布的改變，主要表現(xiàn)為整體快速升溫，主要?dú)鈶B(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(shí)，主要?dú)鈶B(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(fù)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(duì)主要?dú)鈶B(tài)產(chǎn)物的生成過(guò)程進(jìn)行管控。
　　在所建立的勻場(chǎng)微波條件下，褐煤熱解過(guò)程整體升溫速率快，溫度驟升出現(xiàn)時(shí)間短，峰值～830℃，溫度場(chǎng)分布均勻，整體熱解程度相同，主要?dú)鈶B(tài)產(chǎn)物集中生成，可視為溫度驟升的“等溫?zé)峤狻边^(guò)程。與原微波熱解條件相比，主要?dú)鈶B(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(yīng)動(dòng)力學(xué)研究表明，褐煤勻場(chǎng)微波熱解過(guò)程中主要?dú)鈶B(tài)產(chǎn)物CO2的生成反應(yīng)級(jí)數(shù)為～0.8，CO、CH4和H2的生成反應(yīng)級(jí)數(shù)則均為～0.6。增強(qiáng)微波電場(chǎng)強(qiáng)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(guò)與蒙東褐煤性質(zhì)差異較大的典型軟褐煤——澳大利亞褐煤的熱解實(shí)驗(yàn)，對(duì)褐煤微波