一种燃煤混合热解制新生半焦气化的试验系统的制作方法

1.本实用新型涉及煤清洁热利用技术领域，具体为一种燃煤混合热解制新生半焦气化的试验系统。


背景技术：

2.煤炭作为重要的工业生产燃料，是火力发电的主要原料，随着煤开采的难度升级，煤的质量逐渐下降。燃用一些低品质煤，不仅出现燃烧不充分的情况，还会在锅炉燃烧过程中出现黑烟的情况，最终导致锅炉积灰和碳化，影响燃烧效率，缩短锅炉寿命。随着洁净煤技术的应用，能源梯级利用可有效提高煤炭资源的综合利用率。
3.煤的分级利用主要反应为热解气化和焦炭燃烧，其中煤热解是较高温度下，煤中的有机结构断裂分解脱出挥发分。煤在热解反应后产物以半焦为主，还有部分焦油和气体，热解气体主要有h2、co、co2及高热值的轻质烃类气体等等，半焦在一定条件下与h2o、co2进一步反应形成煤气，可以实现煤的深度气化。
4.热解过程中残留焦炭的气化过程，通常是将残留焦炭先冷却，再从室温开始气化。通常，随着温度的升高，样品中的非碳原子逐渐断裂分解，有机物在气化过程中继续断裂分解析出挥发分，残留的结构排列的更加有序，气化反应更加困难。焦炭气化的主要反应有：
5.c o2＝co26.c 1/2o2＝co
7.c h2o＝co h28.c co2＝2co
9.但其存在的问题在于，燃煤混合热解或者耦合热解技术，对热解过程的新生半焦气化特性发生改变。采用传统的焦炭气化明显不能满足，并未考虑到燃料种类的变化，混合热解温度的不同，以及混合热解过程中析出的挥发分等因素对焦炭气化反应过程的影响。


技术实现要素：

10.针对现有技术中存在的对煤炭混合热解中挥发分焦炭气化反应过程的影响造成的燃煤燃烧不充分的问题，本实用新型提供一种燃煤混合热解制新生半焦气化的试验系统。
11.本实用新型是通过以下技术方案来实现：
12.一种燃煤混合热解制新生半焦气化的试验系统，其特征在于，包括热解炉、进料预处理装置和载体供应装置；
13.所述热解炉侧壁连接有进料预处理装置、载体供应装置和温控加热设备；
14.所述热解炉顶部出气口依次连接挥发分集气瓶和分析单元；
15.所述温控加热设备输入端分别连接热电偶的冷端和tg热解热重分析仪的信号输出端，所述热电偶的热端接入热解炉；
16.所述热解炉内部设置有隔层，用于承载混合样品；所述进料预处理装置、载体供应
装置和热电偶与热解炉的连接端分别对应混合样品的承载位置设置。
17.进一步，所述进料预处理装置包括依次连接的进料阀、混合装置、研磨过筛装置和称重计量装置，称重计量装置的出料口接入热解炉。
18.进一步，所述载体供应装置包括氮气瓶和二氧化碳气瓶；
19.氮气瓶和二氧化碳气瓶分别连接三通进气阀的两输入端，三通进气阀的输出端接入热解炉。
20.进一步，所述氮气瓶与三通进气阀的连接管路上设置有氮气阀。
21.进一步，二氧化碳气瓶与三通进气阀的连接管路上设置有二氧化碳气阀。
22.进一步，所述热解炉顶部设置有温度计，用以检测挥发分气体的温度。
23.进一步，所述挥发分集气瓶的进气口设置有集气瓶进气阀，出气口设置有集气瓶出口阀。
24.进一步，所述隔层采用耐高温材料制成。
25.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
26.本实用新型一种燃煤混合热解制新生半焦气化的试验系统，包括热解炉载体供应装置和温控加热设备，载体供应装置可为热解炉内提供稳定的热解气氛，保证热解过程的稳定性，温控加热设备连接有热电偶和tg热解热重分析仪，热电偶可以对热解炉内温度实时采集并可传回温控加热设备，温控加热设备可对采集温度和tg热解热重分析仪通过实验得到的温度进行比对，进而调节热解炉热解过程中的温度，实现热解过程中各个阶段的温度要求；热解炉连接挥发分集气瓶和分析单元，可对热解产生的挥发分物质进行存储和分析，得到新生半焦气化的情况。
27.进一步，热解炉还连接有进料预处理装置，可实现对不同比例的样品进行预处理，可实现模仿针对不同燃煤的情况，进行多种情况的分析和处理，得到混合样品并向热解炉供给。
28.进一步，热解炉连接载体供应装置，针对热解过程中所需不同的载体环境进行替换供给，提高数据分析的准确性。
附图说明
29.图1为本实用新型具体实施例中一种燃煤混合热解制新生半焦气化的试验系统结构示意图。
30.图中：进料预处理装置1，载体供应装置2，进料阀3，混合装置4，研磨过筛装置5，称重计量装置6，氮气瓶7，氮气阀8，二氧化碳气瓶9，二氧化碳气阀10，三通进气阀11，混合样品12，新生半焦13，热解炉14， tg热解热重分析仪15，温控加热设备16，温度计17，热电偶18，出气口 19，集气瓶进气阀20，集气瓶出口阀21，挥发分集气瓶22，分析单元23。
具体实施方式
31.下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。
32.本实用新型一种燃煤混合热解制新生半焦气化的试验系统，如图1所示，包括热解炉14、进料预处理装置1和载体供应装置2；热解炉14的侧壁连接有进料预处理装置1、载体
供应装置2和温控加热设备16；具体的，热解炉14的进气口连接载体供应装置2，热解炉14的进料口连接进料预处理装置1的出料口，温控加热设备16接入热解炉14侧壁的热量输入端；同时，热解炉14内部还设置有隔层，热解炉14的进料口、进气口和热量输入端均设置在隔层上端面一侧的侧壁上，混合样品12进入热解炉14内部后，由隔层承接，同时在热解过程中，载体气体能够充分包裹待热解混合样品12，而热解炉14的热量输入端靠近隔层，可以减少能量的损耗。
33.所述温控加热设备16输入端分别连接热电偶18的冷端和tg热解热重分析仪15的信号输出端，热电偶18的热端接入热解炉14，当热电偶18的热端采集到热解炉14内部的温度后，通过引线和测量电路传至冷端连接的温控加热设备16，温控加热设备16比较tg热解热重分析仪15提供的热解过程中各个阶段的数据参数，达到温控加热设备16对热解炉14内部温度的调控，具体的，tg热解热重分析仪15为程序控温，通过测量物质的质量随温度或时间的变化关系并进行存储。
34.热解炉14顶部设置有出气口19和温度计17，出气口19依次连接挥发分集气瓶22和分析单元23，形成对挥发分的收集存储和分析结构，后期可根据分析需求进行定量供应于分析单元23；温度计17对热解炉14上端部的挥发分温度进行监测。
35.本实用新型提供的一种具体实施例为，进料预处理装置1包括依次连接的进料阀3、混合装置4、研磨过筛装置5和称重计量装置6，称重计量装置6的输出端连接热解炉14的进料口，其中，混合研磨过筛可同时进行，也可分为充分混合和研磨过筛的单独步骤，分开进行，最终需要获得均匀的混合样品12，粒径满足热解需要即可。
36.本实用新型提供的另一种具体实施例为，载体供应装置2包括氮气瓶7 和二氧化碳气瓶9；本实用新型提供的一种具体实施例为，氮气瓶7和二氧化碳气瓶9并联接入载体进气管道，载体进气管道一端设有三通进气阀11，另一端接入热解炉14。具体的，三通进气阀11分别连接氮气瓶7和二氧化碳气瓶9，出气端连接载体进气管道，具体的，氮气瓶7的设置有氮气阀8 并接入三通进气阀11的氮气输入口，二氧化碳气瓶9的设置有二氧化碳气阀10并接入三通进气阀11的二氧化碳输入口，为热解过程中热解炉14内部的载体进行供应。
37.具体的，挥发分集气瓶22的进气口设置有集气瓶进气阀20，挥发分集气瓶22的出气口设置有集气瓶出口阀21，可实现对下一级的分析单元23 进行定量的供应。
38.具体的，热解炉14内部固定设置有采用耐高温材质的隔层，用于承接混合样品12，同时提供热解反应平台。
39.一种燃煤混合热解制新生半焦气化的试验系统在使用时，包括以下步骤：
40.步骤一，在氮气气氛下，将混合样品12逐步升温至第一阶段终温，升温过程中析出不稳定挥发分气体，生成脱气混合样品，完成第一阶段热解过程；
41.步骤二，在氮气气氛下，维持第一阶段终温，将脱气混合样品保温第一设定时长，脱气混合样品的长链有机物热解，一部分挥发分持续析出，产生新生半焦13，完成第二阶段热解过程；
42.步骤三，在二氧化碳气氛下，由第一阶段终温开始对新生半焦13进行 co2气化逐步升温至第三阶段终温，新生半焦13中的长链有机物继续热解，剩余部分的挥发分析出，生成熔融新生半焦，完成第三阶段热解过程；
43.步骤四，二氧化碳气氛下，维持第三阶段终温进行保温第二设定时长，熔融新生半
焦生成焦炭，完成第四阶段热解过程；
44.步骤五，对步骤一至步骤四中产生的挥发分气体进行收集分析。
45.其中，第一阶段和第三阶段的终温通过使用tg热解热重分析仪15的热解试验获得，具体的，第一阶段的终温不超过600℃，第三阶段的终温不超过900℃；所述第一设定时长不小于20min，第二设定时长不小于30min；所述步骤一和步骤三中的升温速率为20
‑
40℃/min，保证长链有机物有足够长的热解时间，析出全部的挥发分气体，保证数据采集的准确性和完整性。
46.本实用新型一种燃煤混合热解制新生半焦气化的试验系统在使用时，对混合原料进行加热析出不稳定挥发分，排出不稳定挥发分，其后保持第一阶段终温，使得长链有机物热解，挥发分逐步排出，生成新生半焦，再次逐步升温加热，使得长链有机物继续热解，大部分挥发分析出，最后保持第二阶段终温，使得挥发分气体完全析出，生成焦炭，对产生的挥发分气体进行手机分析，得到新生半焦的热解情况；对混合热解的新生半焦的气化特性进行分析，与传统的冷却到室温再气化的焦炭不同，新生半焦需要考虑到热解过程中析出的挥发分部分，是在热解结束后直接将热解温度升温到气化温度；通过煤的混合燃烧，可以实现在一定程度上实现了不同能源种类之间的互补，提高综合利用效率，是解决煤炭资源高效清洁化利用的重要途径之一。
47.本实用新型一种燃煤混合热解制新生半焦气化的试验系统在使用时，可基于一种燃煤混合热解制新生半焦气化的试验系统进行，包括以下步骤，进料预处理装置1将样品混合研磨过筛形成混合样品12，并通入热解炉14内部，具体的，混合样品12的比例，是基于混合样品12的热解特性试验的需要进行配置，同时，混合研磨过筛可同时进行，也可分为充分混合和研磨过筛的单独步骤，分开进行，最终需要获得均匀的混合样品12，粒径满足热解需要即可，之后将和混合样品12通入热解炉14内。
48.温控加热设备16为热解炉14提供热量，同时，热电偶18对热解炉14 内部的温度进行实时监控，并反馈至温控加热设备16，温控加热设备16比对炉内温度和tg热解热重分析仪15的温度数值，对热解炉14内部温度进行调控；混合样品12在热解炉14内部进行热解；具体的，tg热解热重分析仪15的温度参考数据是通过热解过程中各个阶段试验获得的终温数值；
49.具体的，热解炉14内的热解过程为：
50.第一阶段，载体供应装置2对热解炉14通入氮气并形成氮气惰性气氛，热解炉14内部温度逐步加热至200
‑
300℃，析出不稳定挥发分，生成脱气混合样品，完成第一阶段热解过程；具体的，热解炉14内置耐高温材质的隔层，将混合样品12置于隔层，热解反应过程中的新生半焦13和反应后的焦炭主要于此，也是新生半焦13气化的主要反应中心；同时，热解炉14内混合样品12的反应温度，由热电偶18热端实时反馈数据到温控加热设备 16，热解炉14顶部设置的温度计17测量挥发分温度的数据。
51.第二阶段在氮气气氛下，维持第一阶段终，将脱气混合样品保温第一设定时长，热解产物出现新生半焦13，混合样品12的长链有机物热解，一部分挥发分持续析出；
52.第三阶段，载体供应装置2对热解炉14通入二氧化碳气体形成二氧化碳气氛，由第一阶段终温开始对新生半焦13进行co2气化逐步升温至第三阶段终温，混合样品12的长链有机物继续热解，另一部分挥发分析出，此阶段产生的挥发分气体远大于第二阶段产生的
挥发分气体，生成熔融新生半焦，完成第三阶段热解过程；
53.第四阶段，在二氧化碳气氛下，维持第三阶段终温进行保温第二设定时长，熔融新生半焦生成焦炭，完成混合热解制新生半焦13的气化过程，该过程热解温度对气化过程影响变小；
54.其中，氮气和二氧化碳气体分别作为不同升温过程中的载气，根据需要进行切换，其中，三通进气阀11可根据热解分阶段温度的控制，切换不同的载气气氛。
55.热解挥发分气体均经热解炉14的出气口19至挥发分集气瓶22，并在分析单元23进一步分析，得到气体量的变化，计算热解反应失重情况。
56.本实用新型一种燃煤混合热解制新生半焦气化的试验系统在使用时提供的一种具体实施例为：
57.步骤1：将样品按照一定的比例混合形成混合样品12，如1：2.5的褐煤和烟煤，混合比例由混合热解的特性试验获得，加入热解炉14内；温控加热设备16对热解炉14进行加热，升温程度到tg热解热重分析仪15预设的终温，终温不得低于混合样品12最快热解速率对应的热解温度，如 600℃的终温，将混合样品12在程序升温控制下热解。
58.步骤2：第一阶段，程序升温混合热解。升温速率控制为20℃/min，载气氮气，加热到设定温度，如选取100
‑
600℃之间的温度设定为600℃终温，通常在200
‑
300℃范围内轻质的不稳定挥发分逐渐析出，特别是容易在低温下析出挥发分的一些低质煤、油页岩等低品质化石燃料，生成脱气混合样品。
59.步骤3：第二阶段，等温混合热解。加热稳定在某个温度下停留一段时间，使反应充分，如在氮气气氛中恒定600℃反应约20min，即第一设定时长，最终使得长链有机物完全热解，过程产生新生的半热解半焦，部分挥发分析出，低温下的混合热解，其协同效应不明显。
60.步骤4：第三阶段，新生半焦13的程序升温混合气化。关闭载体供应装置2的氮气阀8，打开二氧化碳气阀10，使惰性气体氮气热解气氛变为二氧化碳热解气氛，开始新生半焦13的co2气化升温过程，升温速率控制约20℃/min，加热到设定温度，如选取600
‑
900℃之间的温度设定终温为 900℃。样品析出挥发分明显增加，随着温度升高，上述两阶段的未完全热解的长链有机物开始热解，挥发分继续析出，生成熔融新生半焦。
61.步骤5：第四阶段，等温混合气化。具体为恒温反应阶段，在上述二氧化碳热解气氛中，在设定终温下停留一段时间，即第二设定时长，如恒定在 900℃反应约30min，该过程热解温度对气化行为的影响变小，此时熔融新生半焦变为焦炭。
62.具体的，可根据实际情况，各步骤可选择不同的升温速率，如升温速率为20
‑
40℃/min；上述步骤也适合燃煤耦合不同燃料的半焦co2气化特性，如烟煤耦合油页岩的热解半焦气化，等等；根据混合样品12的热解特性选择不同的热解终温和保温设定的时长进行设定，第一阶段升温的终温设定建议低于该混合样品12的最快热解速率，完成燃煤混合热解制新生半焦13的气化过程。