本发明涉及低温干馏半焦的方法
技术领域：
，尤其涉及一种用于民用清洁兰炭燃料的低温干馏半焦的质量控制方法。
背景技术：
：我国低阶煤储量几乎占全部煤炭储量的50％。陕北地区分布大量的低变质煤，具有储存量大、煤层浅、煤质好和反应性好等特点。将这种无粘结性或弱粘结性的高挥发分低阶煤在中低温条件下热解，析出煤焦油、煤气，即提质，后得到的一种低挥发分的固体炭质产品，兰炭(也称半焦)。以来，低变质煤的中低温条件下热解提质作为高效、环保利用的有效途径开始进入民用清洁燃料市场。不同的用途需要不同物化特性的兰炭。低温热解的原煤物化特性、升温速率、热解温度、热解时间和压力等必将产生不同物化特性的兰炭。低温热解提质的动力学是研究低温热解反应过程的速率和反应机理。它的研究对象是低变质煤的物化特性如何随热解干馏时间而逐渐变化的非平衡的动态体系。低温热解动力学是民用清洁燃料兰炭生产过程中的决定性预测和控制因素。因为煤岩镜质组反射率是表征煤化程度(煤级变化)的重要指标，因此镜质组反射率可以作为表征物化特性来研究低温热解动力学。镜质组反射率分布可以用反射率为底边、以具有该反射率的频数为高度的一系列连接起来的直方型矩形图(俗称镜质组反射率直方图)加以表示。按规定，一阶直方图的每个组两个端点的反射率差为0.1％，半阶直方图的每个组两个端点的反射率差为0.05％。一系列连接起来的直方型矩形图有初始组、最小反射率、末端组和最大反射率，分成组的个数称为总组数。该一系列连接起来的直方型矩形图的反射率的频数加和为100％。作为低温热解的反应物，低变质煤的镜质组反射率直方图的初始组反射率为高级褐煤，而末端组的反射率为长焰煤，跨度一般为7～8个半阶组。作为低温热解的相应产物，民用清洁燃料兰炭，其镜质组反射率直方图的初始组反射率仍然为高级褐煤，而末端组的反射率则为贫瘦煤，跨度大约为27～28个半阶组。而这两者的镜质组反射率直方图的差异就是民用清洁燃料兰炭生产过程(升温速率、热解温度、热解时间和压力等)造成的。只要正确地预测各组的频数随低温干馏条件(温度、时间)的变化而变化，就能进而控制民用清洁燃料兰炭的镜质组反射率直方图的最终形状和分布，从而得到所需物化特性的民用清洁燃料兰炭。然而，近年来虽然借用热分析技术研究煤的燃烧、热解、气化反应动力学是取得了较大的进展，但无法预测各组的相对表观浓度随低温干馏条件(温度、时间)的变化而变化，即低阶煤是如何逐渐提质。因此，有必要提供一种新的低温干馏半焦质量的控制方法以解决上述问题。技术实现要素：本发明需要解决的技术问题是提供一种更准确且实用的低温干馏半焦的质量控制方法。为解决上述问题，本发明提供了一种低温干馏半焦的质量控制方法，该方法包括如下步骤：步骤s1、作所述煤样的煤岩镜质组反射率直方图；步骤s2、利用所述煤样生产相应的民用洁净燃料兰炭，作所述兰炭的煤岩镜质组反射率直方图；步骤s3、根据所述煤样的煤岩镜质组反射率直方图，计算出所述低变质煤的相对表观浓度，其包括多个单源组所对应的多个低变质煤相对表观浓度；低变质煤的初始组a组的相对表观浓度：其中，xa,0是所述低变质煤的初始组a组的频率；步骤s4、根据所述兰炭的煤岩镜质组反射率直方图，计算出所述民用洁净燃料兰炭的相对表观浓度，其包括多个单源组所对应的多个兰炭相对表观浓度；兰炭的初始组a组的相对表观浓度：其中，xa,1是所述兰炭的初始组a组的频率；步骤s5、从第一个组分开始，按序依次分解每个组分中的多个单源连续反应；步骤s6、从第一个组分的单源连续反应开始，按公式计算反应速率常数：在初始组a组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的条件下，求初始组a组的速度方程为：式中：aa01＝a1,已知aa01，a0，t，可计算ka01，其中，t为低温干馏产气阶段过程耗时；组b组单源的速度方程：式中：已知ba01,ba00,t，ka01，可计算ka02，其中t为低温干馏产气阶段过程耗时；求反应阶数为“i”的速度常数ka0i+1的通用式为：式中：已知i1,i0,t,ka0i，可计算ka0j，其中t为低温干馏产气阶段过程耗时；逐次求得在初始组a组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的理想条件下，所有组的反应速率常数；b组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的条件下，此时a组不存在，求b组的速度方程为：式中：bb01＝b1-ba01,已知bb01，b0，t,可计算kb02，其中，t为低温干馏产气阶段过程耗时；c组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的条件下，求c组的速度方程为：式中：已知cb01，cb00，t，kb02，可计算kb03，其中，t为低温干馏产气阶段过程耗时；所以求反应阶数为“i”的速率常数ka0i+1的通用式：式中：已知i1，i0，t，kb0i，可计算kb0j，其中，t为低温干馏产气阶段过程耗时；由此，逐次求得在b组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的条件下，所有组的反应速率常数；由此类推，分别求出当每组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的条件下，所有组的反应速度常数；步骤s7、从第一个组分的单源连续反应开始，按公式计算在反应时间为t时所算的各反应物的浓度；a组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零：以此类推至最后一组单源；b组为起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零：以此类推至最后一组单源；步骤s8、合成所有单源连续反应的加和，将所有组单源组的相对表观浓度换算成频率进行绘图，用以预测和控制兰炭的质量。优选的，低变质煤干燥阶段包括：干燥阶段脱水5％,过程耗时4小时；产气阶段失重35％，过程耗时12小时。与相关技术比较，本发明的低温干馏半焦的质量控制方法直接、简单，容易学习和使用，且该方法高效、准确性高。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：图1为本发明的低温干馏半焦的质量控制方法中干燥煤样的镜质组反射率半阶直方图；图2为本发明的低温干馏半焦的质量控制方法中民用清洁燃料兰炭的镜质组反射率半阶直方图；图3为本本发明的低温干馏半焦的质量控制方法中实施例的f组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的理想条件下连续反应产物浓度随时间的变化示意图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。本发明提供了一种低温干馏半焦的质量控制方法，根据焦化厂实际已经得知，低变质煤干燥阶段包括：干燥阶段脱水5％,过程耗时4小时；产气阶段失重35％，过程耗时12小时，该方法包括如下步骤：步骤s1、作所述煤样的煤岩镜质组反射率直方图，如图1所示。低变质煤的镜质组反射率直方图是8个连接起来的直方型矩形图。初始组反射率为0.45％，末端组反射率为0.8％。初始物：低变质煤，全组数为8，8个频率的加和为100％。步骤s2、利用所述煤样生产相应的民用洁净燃料兰炭(即半焦)，作所述兰炭的煤岩镜质组反射率直方图，如图2所示。相应兰炭的镜质组反射率直方图是27个连接起来的直方型矩形图。初始组反射率仍然为0.45％，末端组反射率为1.75％。产物：民用清洁燃料兰炭，全组数为27，27个频率的加和为100％。“相对表观浓度”换算镜质组反射率的组分频率成为镜质组组分的浓度：原煤质量：100％，w；脱水后质量，即完成干燥脱气阶段：95％，脱水为原煤质量的5％；w0；兰炭质量，即完成热分解和二次脱气阶段后：60％，脱煤中大分子结构开始断裂生成易断键的挥发性小分子物质为原煤质量的35％；w1；那么脱水后，即完成干燥脱气阶段但未有煤中大分子结构断裂生成挥发性小分子物质初始时，低变质煤的初始组a组的相对表观浓度：其中，xa,0是所述低变质煤的初始组a组的频率。那么脱水后，即完成热分解和二次脱气阶段后有煤中大分子结构断裂生成挥发性小分子物质生成兰炭，兰炭的初始组(a组)的相对表观浓度：其中，xa,1是所述兰炭的初始组a组的频率。步骤s3、根据所述煤样的煤岩镜质组反射率直方图，即图1，计算出所述低变质煤的相对表观浓度，其包括多个单源组所对应的多个低变质煤相对表观浓度，如表1所示：表1干燥低变质煤的相对表观浓度反射率0.450.50.550.60.650.70.750.8单源组abcdefgh频率1.157.517.7726.9627.512.813.732.58低变质煤在不同反射率下的相对表观浓度是8个连接起来系列值。出现初始相对表观浓度的反射率为0.45％，最后相对表观浓度的反射率为0.8％。8个相对表观浓度总加和为100％。步骤s4、根据所述兰炭的煤岩镜质组反射率直方图，计算出所述民用洁净燃料兰炭的相对表观浓度，其包括多个单源组所对应的多个兰炭相对表观浓度，如表2所示：表2兰炭的相对表观浓度相应兰炭的镜质组反射率直方图是27个连接起来的直方型矩形图。组数用大写英文字母表示。产物的初始组反射率仍然为0.45％，末端组反射率为1.75％。27个相对表观浓度总加和为65％。步骤s5、从第一个组分开始，按序依次分解每个组分中的多个单源连续反应。基于煤干馏提质的“一级、单向、连续”的特征：“一级”为煤干馏的反应是一级化学反应；即一个相同的反应物通过化学反应只能产生一个相同的生成物；“单向”为煤低温干馏的过程是在设定的温度压力下，随时间的增加，低变质煤(高级褐煤和长焰煤)先析出水分子后，不断析出有机小分子物质(甲烷)后往高级煤(肥煤、气煤、焦煤、瘦煤、贫煤)方向发展，绝对不会逆方向发展；“连续”反应是在反应过程中，前一步的生成物即为下一步的反应物，这样，便产生了多种中间产物。或者说，连串反应实际上是若干个连续、逐级的一级反应。实际情况是:初始物为8组初始相对表观浓度均不为零，经过若干阶连续(连串)反应，成为27组最终相对表观浓度不为零的产物。可以用以下初始多组相对表观浓度均不为零，经过若干阶连续反应，成为多组最终相对表观浓度不为零的产物，如表3所示：表3基于镜质组反射率可以加和的特征，在计算结果时间t后，反应物、中间物、以及产物的浓度时，将原煤若干半阶的镜质组反射率分为相应的若干个起始浓度为已知值，其它组分的起始反应浓度为零。即将一个实际的连串反应分解为若干个理想连续反应，待计算完成后，再进行加和，如表4-6所示：表4a组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的单源连续反应表：表5b组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的单源连续反应的示意表速率kb02kb03kb04kb05kb06kb0z单源组b---》c---》d---》e---》f---》---》aa---》t＝0b000000t＝t待求待求待求待求待求待求t＝1bb01cb01db01eb01fb01aab01表6c组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的单源连续反应示意表速率kc03kc04kc05kc06kc0z单源组c---》d---》e---》f---》---》aa---》t＝0c00000t＝t待求待求待求待求待求t＝1cc01dc01ec01fc01aac01以此类推，直至反应物的所有非零相对表观浓度组算完。对于单源连续反应的反应速率常数和组分浓度就必须重新定义如下：相对表观浓度：用英文大写字母表示，按字母顺序排列从初始组到末端组。如a、b、c、。。。当产物的全组数大于英文字母数(26)时，第27个开始，用重复大写英文字母，如aa，bb,。。。英文大写字母有三种下标分别为“0”，表示反应物的相对表观浓度；下标为“1”，表示产物的相对表观浓度；下标为“t”，表示该物质在反应时间为“t”时的相对表观浓度。表示“单源”则用上标。上标为英文大写字母，表示初始物的相对表观浓度不为零的初始组。表示组分c在单源初始组为b的连续反应的产物浓度。表示组分d在单源初始组为b的连续反应时间“t”的浓度。表示组分a在单源初始组为a的连续反应的反应物浓度。单源连续反应的速率常数：下标是阿拉伯数字，表示第i反应阶数；上标为英文大写字母，表示初始组分浓度不为零，而其余各组分浓度均为零的初始组；表示在单源初始组为b的连续反应中从“i”反应为“j”的速率常数。步骤s6、从第一个组分的单源连续反应开始，按公式计算反应速率常数：在初始组a组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的条件下，求初始组a组的速度方程为：式中：aa01＝a1,已知aa01，a0，t，可计算ka01，其中，t为低温干馏产气阶段过程耗时；组b组单源的速度方程：式中：已知ba01,ba00,t，ka01，可计算ka02，其中t为低温干馏产气阶段过程耗时；求反应阶数为“i”的速度常数ka0i+1的通用式为：式中：已知i1,i0,t,ka0i，可计算ka0j，其中t为低温干馏产气阶段过程耗时；逐次求得在初始组a组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的理想条件下，所有组的反应速率常数；b组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的条件下，此时a组不存在，求b组的速度方程为：式中：bb01＝b1-ba01,已知bb01，b0，t,可计算kb02，其中，t为低温干馏产气阶段过程耗时；c组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的条件下，求c组的速度方程为：式中：已知cb01，cb00，t，kb02，可计算kb03，其中，t为低温干馏产气阶段过程耗时；所以求反应阶数为“i”的速率常数ka0i+1的通用式：式中：已知i1，i0，t，kb0i，可计算kb0j，其中，t为低温干馏产气阶段过程耗时；由此，逐次求得在b组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的条件下，所有组的反应速率常数；以此类推，分别求出当每组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的条件下，所有组的反应速度常数。步骤s7、从第一个组分的单源连续反应开始，按公式计算在反应时间为t时所算的各反应物的浓度；a组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零：以此类推至最后一组单源；b组为起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零：以此类推至最后一组单源。步骤s8、合成所有单源连续反应的加和，将所有组单源组的相对表观浓度换算成频率进行绘图，用以预测和控制兰炭的质量。结合本实施方式中，则步骤s5-s8中具体为：组分a，仅有一个单源连续反应，其反应速率常数和相对表观浓度列于下表：组分b，有两个单源连续反应，其反应速率常数和相对表观浓度列于下表：组分c，仅有三个单源连续反应，其反应速率常数和相对表观浓度列于下表：组分d，仅有四个单源连续反应，其反应速率常数和相对表观浓度列于下表：组分e，仅有五个单源连续反应，其反应速率常数和相对表观浓度列于下表：组分f，仅有六个单源连续反应，其反应速率常数和相对表观浓度列于下表：组分g，仅有七个单源连续反应，其反应速率常数和相对表观浓度列于下表：依次类推可得27组单源组反应速率常数和相对表观浓度。最后将27组单源组的相对表观浓度换算成频率进行绘图便得到图2。以单源组f为例，计算由f组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的理想条件下连续反应产物浓度随时间的变化，即为如图3所示。与相关技术比较，本发明的低温干馏半焦的质量控制方法直接、简单，容易学习和使用，且该方法高效、准确性高。以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的
技术领域：
，均同理包括在本发明的专利保护范围内。当前第1页1 2 3
技术特征：
1.一种低温干馏半焦的质量控制方法，取干燥阶段的低变质煤作为煤样，该方法包括如下步骤：
步骤s1、作所述煤样的煤岩镜质组反射率直方图；
步骤s2、利用所述煤样生产相应的民用洁净燃料兰炭，作所述兰炭的煤岩镜质组反射率直方图；
步骤s3、根据所述煤样的煤岩镜质组反射率直方图，计算出所述低变质煤的相对表观浓度，其包括多个单源组所对应的多个低变质煤相对表观浓度；
低变质煤的初始组a组的相对表观浓度：
其中，xa,0是所述低变质煤的初始组a组的频率；
步骤s4、根据所述兰炭的煤岩镜质组反射率直方图，计算出所述民用洁净燃料兰炭的相对表观浓度，其包括多个单源组所对应的多个兰炭相对表观浓度；
兰炭的初始组a组的相对表观浓度：
其中，xa,1是所述兰炭的初始组a组的频率；
步骤s5、从第一个组分开始，按序依次分解每个组分中的多个单源连续反应；
步骤s6、从第一个组分的单源连续反应开始，按公式计算反应速率常数：
在初始组a组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的条件下，求初始组a组的速度方程为：
式中：aa01＝a1,已知aa01，a0，t，可计算ka01，其中，t为低温干馏产气阶段过程耗时；
组b组单源的速度方程：
式中：已知ba01,ba00,t，ka01，可计算ka02，其中t为低温干馏产气阶段过程耗时；
求反应阶数为“i”的速度常数ka0i+1的通用式为：
式中：已知i1,i0,t,ka0i，可计算ka0j，其中t为低温干馏产气阶段过程耗时；
逐次求得在初始组a组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的理想条件下，所有组的反应速率常数；
b组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的条件下，此时a组不存在，求b组的速度方程为：
式中：bb01＝b1-ba01,已知bb01，b0，t,可计算kb02，其中，t为低温干馏产气阶段过程耗时；
c组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的条件下，求c组的速度方程为：
式中：已知cb01，cb00，t，kb02，可计算kb03，其中，t为低温干馏产气阶段过程耗时；
所以求反应阶数为“i”的速率常数ka0i+1的通用式：
式中：已知i1，i0，t，kb0i，可计算kb0j，其中，t为低温干馏产气阶段过程耗时；
由此，逐次求得在b组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的条件下，所有组的反应速率常数；
由此类推，分别求出当每组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零的条件下，所有组的反应速度常数；
步骤s7、从第一个组分的单源连续反应开始，按公式计算在反应时间为t时所算的各反应物的浓度；
a组起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零：
以此类推至最后一组单源；
b组为起始反应相对表观浓度不为零，其它各组均为零：
以此类推至最后一组单源；
步骤s8、合成所有单源连续反应的加和，将所有组单源组的相对表观浓度换算成频率进行绘图，用以预测和控制兰炭的质量。
2.根据权利要求1所述的低温干馏半焦的质量控制方法，其特征在于，低变质煤干燥阶段包括：干燥阶段脱水5％,过程耗时4小时；产气阶段失重35％，过程耗时12小时。
技术总结
本发明提供一种低温干馏半焦的质量控制方法，包括如下步骤：作所述煤样的煤岩镜质组反射率直方图；作所述兰炭的煤岩镜质组反射率直方图；计算出所述低变质煤的相对表观浓度；计算出所述民用洁净燃料兰炭的相对表观浓度；从第一个组分开始，按序依次分解每个组分中的多个单源连续反应；从第一个组分的单源连续反应开始，按公式计算反应速率常数；从第一个组分的单源连续反应开始，按公式计算在反应时间为t时所算的各反应物的浓度；合成所有单源连续反应的加和，用以预测和控制兰炭的质量。与相关技术相比，本发明提供的低温干馏半焦的质量控制方法简单、高效、准确性高。
技术研发人员：张学梅;马青华;李东;郝静远
受保护的技术使用者：西安思源学院
技术研发日：.10.22
技术公布日：.02.28
