我国经济的快速发展提出了对能源需求量的逐年攀升,随着高品质能源的不断消耗,储量巨大的低品质煤炭资源的开发和利用成为保障能源持续供给和经济发展的必然要求。受制于低品质煤的自然缺陷,改性提质成为低品质煤资源开发利用的关键技术。微波和水热是典型的低品质煤样脱水改性提质方法,能够一定程度上消除低品质煤缺陷,提高其能源品位和资源价值,从而弥补高品质煤炭资源的不足。
基于粉煤锅炉的以发电为前提以低品质煤提质为基础的煤炭分级分质多联产系统是符合我国国情的煤炭利用方式,它基于煤炭具有能源和资源双重属性的理念,集合了电力、化工和建材等系统,就煤中不同组分具有的不同能源和资源价值实现分质利用,而根据煤中不同成分的物质属性和化学活性给予分级转化,最大限度的提取煤中高附加值的化学资源,同时实现电力、化工原料、油气产品、灰渣综合利用、污染物减排等多重目的。
本文采用微观分析和宏观研究相结合的方法对精心选择的我国5种典型低品质煤进行了微波和水热脱水提质,对改性前后煤样煤质组成、微观形貌、孔隙结构、化学结构特性等微观理化性质进行了深入细致的研究和分析,着重考察了煤样改性前后煤阶参数的变化。结果发现改性后低品质煤中水分大幅度降低,热值升高,致密度增加,孔隙结构扩展,活性基团分解和转换,凝胶式整体结构被破坏,不稳定相组分减少,稳定相组分增加,低品质煤的煤阶在改性后升高。
接着采用热重实验手段基于热重曲线,特征参数和动力学计算相结合的分析对改性前后煤样的宏观热解、气化和燃烧等热转化过程进行了表征和分析,结果表明微波和水热改性后,低品质煤样的热解活性降低,热稳定性增强,热解反应区间向高温区移动,各项热解性质向高阶烟煤接近。挥发份中活性小分子物质析出量减少,稳定的芳香大分子物质的析出量增加。气化特性上微波和水热改性后煤样表现出不同性质,微波后的气化活性上升,而水热后煤样的气化活性降低,与两种方法改性后煤样微观孔隙结构的变化及改性作用机理不同有关。同样由于改性后煤中稳定相组分的增加,煤样煤阶的升高,改性煤样的燃烧反应过程向高温区推移,各项表征参数向高阶烟煤靠近。
本文研究旨在能够为我国低品质煤炭资源提质后的规模应用提供基础数据,通过提质前后煤样微观和宏观理化性质的研究发现改性后煤样的缺陷得到改善,品位有所提升,煤阶相对升高。虽然由此带来了煤样在宏观热转化过程中化学反应活性的降低,但是所有的变化都相对有限甚至某些特性比原煤样活性更高,在改善自身缺陷的同时改性煤样保持了原煤样较高的化学反应活性,这对我国储量丰富的低品质煤资源提质及规模利用具有重要意义。
最后在低品质煤提质及微观和宏观理化性质分析的基础上采用理论热力计算和基础实验手段相结合的方法对基于低品质煤提质为基础的粉煤分级分质多联产利用系统进行了初步研究和分析。结果表明,热力计算从整体上验证了系统流程的可行性,给出了系统中各单元的物质流和能量流结果,建立了系统整体的运行结构。初步预实验结果表明过高的热解温度和过细的煤样粒径不仅能耗大,而且挥发份的析出量增加有限,但所得半焦的化学反应活性较差,不利于后续的燃烧发电。而过低的热解温度和过大的颗粒尺寸不利于煤中高附加值化学组分的析出和转化。综合挥发份的析出和半焦化学活性两大因素确定出比较合适的多联产初步运行工况是热解温度1000℃,原煤样粒径0.15-0.3mm。
