單軸應力狀態下貧瘦煤熱解產氣規律的實驗研究＊

王 毅趙陽升,馮增朝

(1.太原理工大學礦業工程學院,山西省太原市,030024; 2.太原理工大學采礦工藝研究所,山西省太原市,030024)

★煤炭科技·加工轉化★

單軸應力狀態下貧瘦煤熱解產氣規律的實驗研究＊

王 毅1趙陽升1,2馮增朝2

(1.太原理工大學礦業工程學院,山西省太原市,030024; 2.太原理工大學采礦工藝研究所,山西省太原市,030024)

應用太原理工大學塊煤熱解試驗系統對單軸應力狀態下貧瘦煤熱解的產氣規律做了研究。得出如下結論:熱解氣體產量隨著溫度的增加是不斷增加的,但每個溫度段增加的總量有所不同,310℃時最大;由熱解氣體產生的趨勢分析可知,熱解氣體的產生并不是一直在增加,存在熱解氣體產生的瓶頸問題,突破瓶頸熱解氣體產量會有所增長;平均產氣速率也存在溫度瓶頸問題,但從產氣速率的角度而言,280℃和310℃是這個煤樣工業應用階段應該關注的溫度段。

應力狀態 貧瘦煤 熱解 產氣規律

能源緊缺直接威脅著我國的可持續發展,這也使得作為能源結構主要組成部分的煤炭的地位顯得更為突出和重要。對于傳統煤炭開采與利用方式而言,低回采率、低利用率和高污染的缺陷造成了大量的資源損失和無法逆轉的環境破壞。這些問題從根本上制約了煤炭資源的合理利用。煤炭潔凈開采與利用技術的推廣,對于改善我國能源利用現狀,保證我國能源安全具有重大戰略意義。煤炭地下氣化、煤層原位熱解等新型煤炭開采與利用技術發展迅速,而地應力狀態下煤的熱解是這些方法的基礎過程。因此,深入細致地研究煤在地應力狀態下熱解產氣的基本規律,對于我國煤炭資源的潔凈開采與利用,緩解我國能源緊張具有重要的科學與工程意義。

相關學者在煤的熱解方面做了大量卓有成效的研究,取得了豐碩的成果。馬國君、趙麗紅等分別從不同角度對煤的熱解做了詳細研究,得出煤的熱解特性、熱解產氣分布規律等一系列有價值結論。但這些研究多是在自由狀態下進行的,針對地應力狀態下煤的熱解特性的研究鮮見報道。

本文主要研究單軸應力狀態下塊狀貧瘦煤熱解產氣的基本規律,為煤層原位熱解、煤炭地下氣化技術的開發與利用提供科學依據和理論指導。

1 實驗部分

1.1 實驗設備及試樣

實驗設備采用太原理工大學自行研制的塊煤熱解試驗系統。該系統采用熱電偶測定加熱溫度,試樣尺寸?100 mm×150mm;試樣最高加熱溫度400℃;最大壓力5 MPa。

實驗試樣煤種為貧瘦煤,采自山西長治,試樣呈黑色,表面有明顯裂紋,質量為1520 g。將所采的大尺寸煤塊試樣先經過機加工成圓柱體毛坯,再用切割機切割至實驗用尺寸,達到實驗規格。

1.2 實驗方法

將試樣放入加熱釜并將其封閉,給試樣加壓至1.25 MPa,然后對試樣加溫至280℃,進入自動保溫狀態。穩定5 min后讀取第一個氣體量,然后每隔5 min讀取一次,直至在該溫度下沒有任何氣體析出。再次對試樣加溫至310℃,進入自動保溫狀態。同樣按照上一個溫度操作至無任何氣體析出為止。本次實驗經歷溫度值為280℃、310℃、340℃、370℃、400℃。

氣體量的取得采用排水取氣法,并且在每個溫度段,氣體生成比較穩定的時段收集氣樣1500 ml,用氣相色譜分析儀對氣體成分進行分析。

2 實驗結果分析

2.1 400℃以內塊狀貧瘦煤熱解產氣量分析

通過對貧瘦煤試樣等間隔溫度的升溫實驗研究,可以總結出如下的熱解規律:在等溫度間隔升溫的情況下,試樣產氣量隨溫度測定段的不同,其產氣量的趨勢基本相同。但由于各溫度段產氣的絕對量不同,所以總產氣量的變化趨勢不同。具體分析如下。

(1)280～400℃試樣產氣量總的變化趨勢分析見圖1。

從圖1可知,貧瘦煤試樣在不同溫度點產氣量隨著時間推移,逐漸增加,當增加到一定量時開始趨于平緩,即每個溫度點產氣不是無限增加的,而是存在一個上限,這個上限的存在說明煤樣本身熱解反應與溫度密切相關,不同溫度有不同熱解反應發生,而且每個溫度點的熱解反應強度隨時間越來越弱。另外,不同溫度點產氣的絕對量是不同的,其中310℃最多,400℃最少,而且400℃時產氣量增加的趨勢變得非常緩慢,曲線性態趨于平緩直線狀態。

圖1 不同溫度產氣量隨時間變化規律

(2)280～400℃試樣總產氣量隨溫度變化規律見圖2。

圖2 總產氣量隨溫度的變化規律

從圖2可知,總產氣量隨溫度表現為明顯增加態勢,其曲線性態表現為近似線性狀態。

由前分析可得:280～370℃熱解氣體產量相對較多,占這個實驗氣體產量的95.23%。對于不同溫度而言,280℃和310℃時,熱解氣體產量比其他溫度點大,而340℃時熱解氣體產量開始減少,當溫度升至370℃時熱解氣體產量又開始增大。當溫度升至400℃時,熱解氣體產量急劇減少,這說明熱解氣體的產生具有溫度瓶頸特性。只有突破這個瓶頸后,熱解氣體產量才有可能顯著增加。

2.2 400℃以內塊狀貧瘦煤熱解產氣速率分析

單一地從產氣量角度考慮,對于原位熱解及煤炭地下氣化的可行性而言,無法完全確定,因為產氣量的絕對量若延續的時間過長,則存在高投入低產出的問題,故產氣速率就成為了又一個重要指標。本實驗也從產氣速率的角度進行了研究。

(1)280～400℃試樣產氣速率隨時間的變化規律見圖3。

圖3 不同溫度產氣速率隨時間的變化規律

從圖3曲線性態可知,不同溫度條件下,試樣產氣速率隨時間基本呈下降趨勢,這也說明在不同溫度點,煤樣本身熱解反應強度隨著時間逐漸減小,即每個溫度點能發生的熱解反應是有限的,在不同溫度點會有不同熱解反應發生。

(2)280～400℃平均產氣速率隨溫度的變化規律見圖4。

圖4 平均產氣速率隨時間的變化規律

從曲線的整體趨勢而言,平均產氣速率隨溫度升高是整體下降的,但在310℃存在一個高峰,即平均產氣速率在310℃時最大。

由前述分析可知,280℃和310℃的平均產氣速率相對較大,這兩個溫度是工業應用階段重點關注的溫度段。

而340℃時開始減小,到370℃有一個小幅度的回升,400℃是平均產氣速率最小的點。由此可得,400℃以內熱解實驗平均產氣速率存在兩個峰值,這應該是熱解溫度瓶頸影響的效果。

3 結論

(1)熱解氣體產量隨著溫度的升高是不斷增加的,但每個溫度段增加的總量有所不同,310℃時最大。

(2)就熱解氣體產生的趨勢分析可知,熱解氣體的產生并不是一直在增加,存在熱解氣體產生的瓶頸問題,突破瓶頸熱解氣體產量可能有所增長。

(3)平均產氣速率也存在溫度瓶頸問題,但從產氣速率的角度而言,280℃和310℃是這個煤樣工業應用階段應該關注的溫度段。

(4)對于貧瘦煤煤層原位熱解工藝而言,不論從熱解產氣量的角度還是產氣速率的角度, 310℃都是該煤種工藝實施的最佳溫度點。

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Exper imental study on the pyrolysis gas producing rule of meager lean coal in un iaxial stress

Wang Yi1,Zhao Yangsheng1,2,Feng Zengchao2
(1.College ofMining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi,030024,China; 2.Institute ofMining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi,030024,China)

Detailed study on the pyrolysis gas producing rule of meager lean coal in uniaxial stress is undertaken by using the lump coal pyrolysis exper imental system of Taiyuan University of Technology. The following conclusions are obtained.The pyrolysis gas output is increased continuously with temperature.But the total increments are different in different temperature ranges with the largest amount at 310℃.From the changing trend of pyrolysis gasoutput,the pyrolysis gasoutput is not a lways increasing. The temperature bottleneck exists in this process.The outputwill further increase if the temperature bottleneck is broke through.The temperature bottleneck problem is also seen in the average rate of pyrolysis gas output rate.The temperature range at 280℃and 310℃are those to which more attention shall be paid during industrial application stage.

stress status,meager lean coal,pyrolysis,rule of gas production

TQ541

A

王毅(1974-),男,在讀博士,山西汾陽人,講師。太原理工大學采礦工程專業畢業?，F在太原理工大學礦業工程學院從事教學與科研工作。

(責任編輯 張毅玲)

國家自然科學基金資助項目(50874077)