單軸應(yīng)力狀態(tài)下貧瘦煤熱解產(chǎn)氣規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究＊

王 毅趙陽升,馮增朝

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024; 2.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所,山西省太原市,030024)

★煤炭科技·加工轉(zhuǎn)化★

單軸應(yīng)力狀態(tài)下貧瘦煤熱解產(chǎn)氣規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究＊

王 毅1趙陽升1,2馮增朝2

(1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024; 2.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所,山西省太原市,030024)

應(yīng)用太原理工大學(xué)塊煤熱解試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)單軸應(yīng)力狀態(tài)下貧瘦煤熱解的產(chǎn)氣規(guī)律做了研究。得出如下結(jié)論:熱解氣體產(chǎn)量隨著溫度的增加是不斷增加的,但每個(gè)溫度段增加的總量有所不同,310℃時(shí)最大;由熱解氣體產(chǎn)生的趨勢分析可知,熱解氣體的產(chǎn)生并不是一直在增加,存在熱解氣體產(chǎn)生的瓶頸問題,突破瓶頸熱解氣體產(chǎn)量會(huì)有所增長;平均產(chǎn)氣速率也存在溫度瓶頸問題,但從產(chǎn)氣速率的角度而言,280℃和310℃是這個(gè)煤樣工業(yè)應(yīng)用階段應(yīng)該關(guān)注的溫度段。

應(yīng)力狀態(tài) 貧瘦煤 熱解 產(chǎn)氣規(guī)律

能源緊缺直接威脅著我國的可持續(xù)發(fā)展,這也使得作為能源結(jié)構(gòu)主要組成部分的煤炭的地位顯得更為突出和重要。對(duì)于傳統(tǒng)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(zhuǎn)的環(huán)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(shù)的推廣,對(duì)于改善我國能源利用現(xiàn)狀,保證我國能源安全具有重大戰(zhàn)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(shù)發(fā)展迅速,而地應(yīng)力狀態(tài)下煤的熱解是這些方法的基礎(chǔ)過程。因此,深入細(xì)致地研究煤在地應(yīng)力狀態(tài)下熱解產(chǎn)氣的基本規(guī)律,對(duì)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(xué)與工程意義。

相關(guān)學(xué)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(duì)煤的熱解做了詳細(xì)研究,得出煤的熱解特性、熱解產(chǎn)氣分布規(guī)律等一系列有價(jià)值結(jié)論。但這些研究多是在自由狀態(tài)下進(jìn)行的,針對(duì)地應(yīng)力狀態(tài)下煤的熱解特性的研究鮮見報(bào)道。

本文主要研究單軸應(yīng)力狀態(tài)下塊狀貧瘦煤熱解產(chǎn)氣的基本規(guī)律,為煤層原位熱解、煤炭地下氣化技術(shù)的開發(fā)與利用提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試樣

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用太原理工大學(xué)自行研制的塊煤熱解試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(shí)驗(yàn)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(zhì)量為1520 g。將所采的大尺寸煤塊試樣先經(jīng)過機(jī)加工成圓柱體毛坯,再用切割機(jī)切割至實(shí)驗(yàn)用尺寸,達(dá)到實(shí)驗(yàn)規(guī)格。

1.2 實(shí)驗(yàn)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(duì)試樣加溫至280℃,進(jìn)入自動(dòng)保溫狀態(tài)。穩(wěn)定5 min后讀取第一個(gè)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(duì)試樣加溫至310℃,進(jìn)入自動(dòng)保溫狀態(tài)。同樣按照上一個(gè)溫度操作至無任何氣體析出為止。本次實(shí)驗(yàn)經(jīng)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(gè)溫度段,氣體生成比較穩(wěn)定的時(shí)段收集氣樣1500 ml,用氣相色譜分析儀對(duì)氣體成分進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 400℃以內(nèi)塊狀貧瘦煤熱解產(chǎn)氣量分析

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

(1)280～400℃試樣產(chǎn)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(diǎn)產(chǎn)氣量隨著時(shí)間推移,逐漸增加,當(dāng)增加到一定量時(shí)開始趨于平緩,即每個(gè)溫度點(diǎn)產(chǎn)氣不是無限增加的,而是存在一個(gè)上限,這個(gè)上限的存在說明煤樣本身熱解反應(yīng)與溫度密切相關(guān),不同溫度有不同熱解反應(yīng)發(fā)生,而且每個(gè)溫度點(diǎn)的熱解反應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間越來越弱。另外,不同溫度點(diǎn)產(chǎn)氣的絕對(duì)量是不同的,其中310℃最多,400℃最少,而且400℃時(shí)產(chǎn)氣量增加的趨勢變得非常緩慢,曲線性態(tài)趨于平緩直線狀態(tài)。

圖1 不同溫度產(chǎn)氣量隨時(shí)間變化規(guī)律

(2)280～400℃試樣總產(chǎn)氣量隨溫度變化規(guī)律見圖2。

圖2 總產(chǎn)氣量隨溫度的變化規(guī)律

從圖2可知,總產(chǎn)氣量隨溫度表現(xiàn)為明顯增加態(tài)勢,其曲線性態(tài)表現(xiàn)為近似線性狀態(tài)。

由前分析可得:280～370℃熱解氣體產(chǎn)量相對(duì)較多,占這個(gè)實(shí)驗(yàn)氣體產(chǎn)量的95.23%。對(duì)于不同溫度而言,280℃和310℃時(shí),熱解氣體產(chǎn)量比其他溫度點(diǎn)大,而340℃時(shí)熱解氣體產(chǎn)量開始減少,當(dāng)溫度升至370℃時(shí)熱解氣體產(chǎn)量又開始增大。當(dāng)溫度升至400℃時(shí),熱解氣體產(chǎn)量急劇減少,這說明熱解氣體的產(chǎn)生具有溫度瓶頸特性。只有突破這個(gè)瓶頸后,熱解氣體產(chǎn)量才有可能顯著增加。

2.2 400℃以內(nèi)塊狀貧瘦煤熱解產(chǎn)氣速率分析

單一地從產(chǎn)氣量角度考慮,對(duì)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?yàn)楫a(chǎn)氣量的絕對(duì)量若延續(xù)的時(shí)間過長,則存在高投入低產(chǎn)出的問題,故產(chǎn)氣速率就成為了又一個(gè)重要指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)也從產(chǎn)氣速率的角度進(jìn)行了研究。

(1)280～400℃試樣產(chǎn)氣速率隨時(shí)間的變化規(guī)律見圖3。

圖3 不同溫度產(chǎn)氣速率隨時(shí)間的變化規(guī)律

從圖3曲線性態(tài)可知,不同溫度條件下,試樣產(chǎn)氣速率隨時(shí)間基本呈下降趨勢,這也說明在不同溫度點(diǎn),煤樣本身熱解反應(yīng)強(qiáng)度隨著時(shí)間逐漸減小,即每個(gè)溫度點(diǎn)能發(fā)生的熱解反應(yīng)是有限的,在不同溫度點(diǎn)會(huì)有不同熱解反應(yīng)發(fā)生。

(2)280～400℃平均產(chǎn)氣速率隨溫度的變化規(guī)律見圖4。

圖4 平均產(chǎn)氣速率隨時(shí)間的變化規(guī)律

從曲線的整體趨勢而言,平均產(chǎn)氣速率隨溫度升高是整體下降的,但在310℃存在一個(gè)高峰,即平均產(chǎn)氣速率在310℃時(shí)最大。

由前述分析可知,280℃和310℃的平均產(chǎn)氣速率相對(duì)較大,這兩個(gè)溫度是工業(yè)應(yīng)用階段重點(diǎn)關(guān)注的溫度段。

而340℃時(shí)開始減小,到370℃有一個(gè)小幅度的回升,400℃是平均產(chǎn)氣速率最小的點(diǎn)。由此可得,400℃以內(nèi)熱解實(shí)驗(yàn)平均產(chǎn)氣速率存在兩個(gè)峰值,這應(yīng)該是熱解溫度瓶頸影響的效果。

3 結(jié)論

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

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

(3)平均產(chǎn)氣速率也存在溫度瓶頸問題,但從產(chǎn)氣速率的角度而言,280℃和310℃是這個(gè)煤樣工業(yè)應(yīng)用階段應(yīng)該關(guān)注的溫度段。

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

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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(xué)采礦工程專業(yè)畢業(yè)。現(xiàn)在太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院從事教學(xué)與科研工作。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50874077)