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煤加氢气化反应的实验研究

作　者: 陈振兴
导　师: 何伯述
学　校: 北京交通大学
专　业: 工程热物理
关键词: ZEC 煤加氢气化加压固定床碳转化率反应器
分类号: TQ541
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

煤炭仍将是我国今后很长一段时间占主导地位的能源,而传统的煤炭利用过程能源利用效率低、污染日益严重。根据我国的能源结构现状,开发高能效、低污染排放的煤炭利用系统具有积极和重要意义。近零排放煤(ZEC)利用系统是一种先进的洁净煤发电技术,发电效率达到70%以上,同时能实现污染物的近零排放。煤加氢气化是ZEC关键部分之一,因此,煤加氢气化的特性研究也变得十分有意义。论文在收集大量文献资料,借鉴和吸收前人研究成果基础上,立足于近零排放煤利用系统的加氢气化过程,主要在以下三个方面展开工作：压力热天平(TGA)的加氢气化实验、加压固定床反应器实验台的设计与搭建、基于搭建的实验台进行部分煤加氢气化实验。在TGA上进行了煤及半焦的加氢气化实验。实验分析了神东和宝一两种煤样,研究了这两种煤及其半焦气化的区别,并分析了不同煤种、温度、压力和催化剂对气化结果的影响。通过实验研究,发现神东和宝一两种煤样的加氢气化特性差异很大,得出以下结论：(1)不同的煤种的加氢气化结果有很大的区别,煤的物理特性是一个很大的影响因素；(2)在TGA实验中,原煤的加氢实验效果不如半焦的实验效果好；(3)在TGA实验中,温度是一个重要的影响因素,在一定温度范围内,增加温度,能提高碳转化率,即提高甲烷的产率；(4)在TGA实验中,增加压力,神东半焦碳转化率降低,而宝一半焦的碳转化率增大；(5)在高压TGA实验中,添加Na2C03催化剂的宝一半焦反应被激活,碳转化率明显提高。根据对TGA实验结果的总结和分析,掌握了煤加氢气化的一些实际操作经验。为了不受TGA实验条件的限制,能更方便更深入的进行煤加氢气化的实验研究,设计和搭建用于实验研究的加压固定床反应器实验台。实验台通过使用Incoloy800HT作为主反应管焊接316L材质不锈钢法兰满足压力范围为0-10MPa、温度范围为0-1200℃的煤加氢气化实验的进行。论文包含整个实验台的各部分的调研、设计和搭建详细过程,对于煤加氢气化实验的流程进行了探讨。在搭建完成后进行仔细的调试确认其能够满足实验的要求。在基于已完成的实验台上进行了不同压力、不同温度下的5组煤加氢气化的实验,在实验中获得了阶段性的数据。对于实验数据进行了理论分析,得出的结论如下：(1)在相同温度830℃的实验条件下,随着压力从3MPa增加到5MPa,实验中碳的转化率有了一定的提高但不够明显；(2)在相同压力4MPa的实验条件下,随着温度从630℃提高到830℃,煤加氢气化反应进行得更加充分,碳转化率以及CH4产出的速率有明显的提高。论文的最后就现有实验台进行了改进方面的探讨,对后续的实验流程以及实验进行了展望。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-11
第1章绪论  11-21
  1.1 课题来源与选题背景  12-14
  1.2 国内外研究现状和发展  14-18
    1.2.1 洁净煤技术在国内外的研究现状与发展  14-16
    1.2.2 煤加氢气化在国内外的研究现状与发展  16-18
  1.3 论文主要研究内容  18-21
    1.3.1 高压TGA实验研究  18-19
    1.3.2 加压固定床反应器实验台设计  19
    1.3.3 基于搭建实验台的实验研究  19-21
第2章煤加氢气化TGA实验  21-38
  2.1 样品制备及分析  21-23
    2.1.1 煤样制备  21-22
    2.1.2 半焦制备  22
    2.1.3 煤样工业分析  22-23
    2.1.4 煤样工业分析和元素分析  23
  2.2 TGA实验设备及方法  23-26
    2.2.1 TGA实验仪器  23-24
    2.2.2 TGA实验方法  24-25
    2.2.3 TGA实验方案  25
    2.2.4 TGA实验中的相关数据计算  25-26
  2.3 TGA实验结果及分析  26-36
    2.3.1 原煤在H_2与N_2气氛下的失重曲线  26-28
    2.3.2 原煤与半焦气化结果分析  28-29
    2.3.3 TGA中各因素对加氢气化的影响  29-36
  2.4 本章小结  36-38
第3章固定床反应器实验台的设计与搭建  38-57
  3.1 加压固定床反应器设计  38-39
    3.1.1 设计目标  38
    3.1.2 设计要求  38-39
  3.2 设计方案与实验流程  39-41
    3.2.1 实验台的总体设计方案  39-40
    3.2.2 实验流程设计  40-41
  3.3 实验设备  41-53
    3.3.1 开启式1200℃单温区管式炉  41
    3.3.2 可编程温度控制系统  41-43
    3.3.3 主反应管的设计  43-48
    3.3.4 气体质量流量控制器及显示仪  48-49
    3.3.5 氢气报警仪  49
    3.3.6 RLGA拉曼激光气体分析仪  49-53
    3.3.7 其他管路部分  53
  3.4 实验台的搭建及遇到问题的解决方案  53-55
    3.4.1 法兰与反应管的焊接  53-54
    3.4.2 冷却装置的设置  54
    3.4.3 出气管路热电偶设置  54-55
  3.5 本章小结  55-57
第4章实验数据的采集与处理  57-75
  4.1 实验条件分析与选择  58-60
  4.2 实验的详细流程介绍  60-61
    4.2.1 实验准备工作  60
    4.2.2 扫气升压过程  60-61
    4.2.3 升温过程  61
    4.2.4 氢气与煤的反应过程  61
  4.3 实验过程中需说明的问题  61-62
    4.3.1 RLGA在线分析仪的限制  61-62
    4.3.2 高压微调阀的间歇性开启与关闭  62
  4.4 实验数据的采集及处理  62-66
    4.4.1 实验过程记录  62-63
    4.4.2 实验数据的采集  63-64
    4.4.3 实验数据的处理思路  64-65
    4.4.4 实验数据的处理过程  65-66
  4.5 实验结果分析  66-73
  4.6 本章小结  73-75
第5章全文总结与展望  75-77
参考文献  77-79
作者简历  79-83
学位论文数据集  83

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