碳气化反应动力学参数测定及其影响因素研究

作     者：刘志轶 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张岩

授予年度：2019年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 080703[工学-动力机械及工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：TGA 反应动力学参数 扩散 补偿效应 

摘      要：煤/生物质气化是能源高效、清洁利用的重要途径之一,因此对气化反应动力学的研究至关重要。本课题以蒙古褐煤焦和咖啡渣焦为实验原料,利用热重分析仪(TGA)进行气化反应动力学研究。课题的研究内容主要分为两部分:一、基于等温热重分析法,详细讨论了坩埚侧壁导致的外扩散以及样品床层导致的床层扩散对气化反应动力学参数的影响;二、基于非等温热重分析法,采用Coats–Redfern法与分布活化能模型两种方法求解了气化反应动力学参数并对两种方法所获得的结果进行了对比分析。在等温气化实验研究中发现随着气化温度的升高,咖啡焦的反应级数增大,褐煤焦的反应级数减小,反应级数随温度的变化规律与物料本身性质相关。消除外扩散与床层扩散影响后,反应级数、活化能与指前因子在反应过程中基本恒定。但坩埚壁导致的外扩散影响会减小气化反应速率、表观活化能和指前因子。随着气化剂分压的增大,外扩散的影响加剧。床层扩散同样会导致表观活化能与指前因子的减小,且床层扩散对气化反应速率、表观活化能以及指前因子的影响要远大于外扩散。此外,当存在扩散影响时,随着转化率的增大,咖啡焦的活化能与指前因子逐渐减小,而褐煤焦的活化能与指前因子逐渐增大,活化能与指前因子随转化率的变化规律也与原料相关。不论是否存在扩散影响,随着转化率的增大咖啡焦与褐煤焦的活化能与指前因子均表现出良好的补偿效应。在非等温气化研究中发现,咖啡焦在各个升温速率下的反应性都要高于褐煤焦。利用Coats–Redfern法求解气化反应动力学参数时,外扩散、床层扩散以及增大升温速率都会使活化能和指前因子减小,且床层扩散的影响远大于外扩散。不论扩散影响是否存在,由Coats–Redfern法求得的活化能与指前因子随着升温速率的增大都表现出了良好的补偿效应。利用分布活化能模型求解动力学参数时,消除扩散影响后,咖啡焦和褐煤焦的活化能随着转化率的增大几乎不变。外扩散及床层扩散都会导致咖啡焦和褐煤焦的活化能与指前因子减小,但床层扩散的影响要明显大于外扩散。不论是等温气化还是非等温气化,扩散在不同转化率下对活化能的影响规律是一致的。将由分布活化能模型求出的活化能与指前因子进行线性拟合,通过选取合适的转化率区间,可以得到良好的拟合效果与明显的补偿效应。消除外扩散与床层扩散影响后,咖啡焦由等温法求解的活化能远大于非等温法求解的活化能;存在外扩散或床层扩散影响时,咖啡焦由非等温法求解的活化能与等温法相近;不论由等温法还是非等温法求解的反应动力学参数,床层扩散对反应动力学参数的影响均大于外扩散。