单轴应力状态下贫瘦煤热解产气规律的实验研究＊

王 毅赵阳升,冯增朝

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024; 2.太原理工大学采矿工艺研究所,山西省太原市,030024)

★煤炭科技·加工转化★

单轴应力状态下贫瘦煤热解产气规律的实验研究＊

王 毅1赵阳升1,2冯增朝2

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024; 2.太原理工大学采矿工艺研究所,山西省太原市,030024)

应用太原理工大学块煤热解试验系统对单轴应力状态下贫瘦煤热解的产气规律做了研究。得出如下结论:热解气体产量随着温度的增加是不断增加的,但每个温度段增加的总量有所不同,310℃时最大;由热解气体产生的趋势分析可知,热解气体的产生并不是一直在增加,存在热解气体产生的瓶颈问题,突破瓶颈热解气体产量会有所增长;平均产气速率也存在温度瓶颈问题,但从产气速率的角度而言,280℃和310℃是这个煤样工业应用阶段应该关注的温度段。

应力状态 贫瘦煤 热解 产气规律

能源紧缺直接威胁着我国的可持续发展,这也使得作为能源结构主要组成部分的煤炭的地位显得更为突出和重要。对于传统煤炭开采与利用方式而言,低回采率、低利用率和高污染的缺陷造成了大量的资源损失和无法逆转的环境破坏。这些问题从根本上制约了煤炭资源的合理利用。煤炭洁净开采与利用技术的推广,对于改善我国能源利用现状,保证我国能源安全具有重大战略意义。煤炭地下气化、煤层原位热解等新型煤炭开采与利用技术发展迅速,而地应力状态下煤的热解是这些方法的基础过程。因此,深入细致地研究煤在地应力状态下热解产气的基本规律,对于我国煤炭资源的洁净开采与利用,缓解我国能源紧张具有重要的科学与工程意义。

相关学者在煤的热解方面做了大量卓有成效的研究,取得了丰硕的成果。马国君、赵丽红等分别从不同角度对煤的热解做了详细研究,得出煤的热解特性、热解产气分布规律等一系列有价值结论。但这些研究多是在自由状态下进行的,针对地应力状态下煤的热解特性的研究鲜见报道。

本文主要研究单轴应力状态下块状贫瘦煤热解产气的基本规律,为煤层原位热解、煤炭地下气化技术的开发与利用提供科学依据和理论指导。

1 实验部分

1.1 实验设备及试样

实验设备采用太原理工大学自行研制的块煤热解试验系统。该系统采用热电偶测定加热温度,试样尺寸ø100 mm×150mm;试样最高加热温度400℃;最大压力5 MPa。

实验试样煤种为贫瘦煤,采自山西长治,试样呈黑色,表面有明显裂纹,质量为1520 g。将所采的大尺寸煤块试样先经过机加工成圆柱体毛坯,再用切割机切割至实验用尺寸,达到实验规格。

1.2 实验方法

将试样放入加热釜并将其封闭,给试样加压至1.25 MPa,然后对试样加温至280℃,进入自动保温状态。稳定5 min后读取第一个气体量,然后每隔5 min读取一次,直至在该温度下没有任何气体析出。再次对试样加温至310℃,进入自动保温状态。同样按照上一个温度操作至无任何气体析出为止。本次实验经历温度值为280℃、310℃、340℃、370℃、400℃。

气体量的取得采用排水取气法,并且在每个温度段,气体生成比较稳定的时段收集气样1500 ml,用气相色谱分析仪对气体成分进行分析。

2 实验结果分析

2.1 400℃以内块状贫瘦煤热解产气量分析

通过对贫瘦煤试样等间隔温度的升温实验研究,可以总结出如下的热解规律:在等温度间隔升温的情况下,试样产气量随温度测定段的不同,其产气量的趋势基本相同。但由于各温度段产气的绝对量不同,所以总产气量的变化趋势不同。具体分析如下。

(1)280～400℃试样产气量总的变化趋势分析见图1。

从图1可知,贫瘦煤试样在不同温度点产气量随着时间推移,逐渐增加,当增加到一定量时开始趋于平缓,即每个温度点产气不是无限增加的,而是存在一个上限,这个上限的存在说明煤样本身热解反应与温度密切相关,不同温度有不同热解反应发生,而且每个温度点的热解反应强度随时间越来越弱。另外,不同温度点产气的绝对量是不同的,其中310℃最多,400℃最少,而且400℃时产气量增加的趋势变得非常缓慢,曲线性态趋于平缓直线状态。

图1 不同温度产气量随时间变化规律

(2)280～400℃试样总产气量随温度变化规律见图2。

图2 总产气量随温度的变化规律

从图2可知,总产气量随温度表现为明显增加态势,其曲线性态表现为近似线性状态。

由前分析可得:280～370℃热解气体产量相对较多,占这个实验气体产量的95.23%。对于不同温度而言,280℃和310℃时,热解气体产量比其他温度点大,而340℃时热解气体产量开始减少,当温度升至370℃时热解气体产量又开始增大。当温度升至400℃时,热解气体产量急剧减少,这说明热解气体的产生具有温度瓶颈特性。只有突破这个瓶颈后,热解气体产量才有可能显著增加。

2.2 400℃以内块状贫瘦煤热解产气速率分析

单一地从产气量角度考虑,对于原位热解及煤炭地下气化的可行性而言,无法完全确定,因为产气量的绝对量若延续的时间过长,则存在高投入低产出的问题,故产气速率就成为了又一个重要指标。本实验也从产气速率的角度进行了研究。

(1)280～400℃试样产气速率随时间的变化规律见图3。

图3 不同温度产气速率随时间的变化规律

从图3曲线性态可知,不同温度条件下,试样产气速率随时间基本呈下降趋势,这也说明在不同温度点,煤样本身热解反应强度随着时间逐渐减小,即每个温度点能发生的热解反应是有限的,在不同温度点会有不同热解反应发生。

(2)280～400℃平均产气速率随温度的变化规律见图4。

图4 平均产气速率随时间的变化规律

从曲线的整体趋势而言,平均产气速率随温度升高是整体下降的,但在310℃存在一个高峰,即平均产气速率在310℃时最大。

由前述分析可知,280℃和310℃的平均产气速率相对较大,这两个温度是工业应用阶段重点关注的温度段。

而340℃时开始减小,到370℃有一个小幅度的回升,400℃是平均产气速率最小的点。由此可得,400℃以内热解实验平均产气速率存在两个峰值,这应该是热解温度瓶颈影响的效果。

3 结论

(1)热解气体产量随着温度的升高是不断增加的,但每个温度段增加的总量有所不同,310℃时最大。

(2)就热解气体产生的趋势分析可知,热解气体的产生并不是一直在增加,存在热解气体产生的瓶颈问题,突破瓶颈热解气体产量可能有所增长。

(3)平均产气速率也存在温度瓶颈问题,但从产气速率的角度而言,280℃和310℃是这个煤样工业应用阶段应该关注的温度段。

(4)对于贫瘦煤煤层原位热解工艺而言,不论从热解产气量的角度还是产气速率的角度, 310℃都是该煤种工艺实施的最佳温度点。

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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,在读博士,山西汾阳人,讲师。太原理工大学采矿工程专业毕业。现在太原理工大学矿业工程学院从事教学与科研工作。

(责任编辑 张毅玲)

国家自然科学基金资助项目(50874077)