轉(zhuǎn)化利用中國科技核心期刊全國中文核心期刊礦業(yè)類核心期刊壓力對煤氣化反應(yīng)的影響楊紅深1,谷小虎2(1.中國平煤神馬集團許昌首山焦化有限公司,河南許昌461700;2.中國平煤神馬集團能源化工研究院,河南平頂山467000)摘要:為了提高煤氣化效率,分析了影響產(chǎn)能的重要因素——壓力。研究了壓力對煤熱解過程、煤焦燃燒速度及煤焦氣化反應(yīng)的影響。研究發(fā)現(xiàn):加壓熱解情況下,揮發(fā)分和焦油產(chǎn)率均下降,但煤氣產(chǎn)量增加,推測是因為焦油發(fā)生二次反應(yīng)造成的。隨著壓力的增大,煤焦明顯膨胩且比表面積下降。但過高的壓力下,膨脹度減弱,易生成孔隙率高、薄壁的煤焦顆粒。提高O2分壓,煤燃燒速度加快且生成的小顆粒較多。提高氣化劑分壓,煤氣化速度加快,且蒸汽分解速度大于CO2還原速度,但生成的煤氣對氣化反應(yīng)有抑制作用。關(guān)鍵詞:加壓;熱解;燃燒機理;氣化杋理;煤燃燒;煤氣化;數(shù)值模擬中圖分類號:TD841;TQ546.2文獻標識碼:A文章編號:1006-6772(2012)02-0065-04Influence of pressure on coal gasificationYANG Hong-shen, GU Xiao-hu(1. Xuchang Shoushan Coking Co., Ltd, China Pingmei Shenma Group, Xuchang 461700,China2. Research Institute of Energy and Chemical Industry, China Pingmei Shenma Group, Pingdingshan 467000, China)Abstract: Analyzed the influence of pressure, the key factor, on coal gasification in order to increase the reactionefficiency. Mainly studied the effects of pressure on coal pyrolysis, burning velocity of coke and coke gasification.The results show that yield of volatile matter and tar both decrease, as opposite to gas, whose yield increases whileincreasing pressure. That can be explained that tar starts secondary reaction. As pressure increasing, coke expanapparently and its specific surface area decrease. When the pressure is too high, degree of expansion decrease slowlyand tend to form high porosity and thin wall thickness coal char particles. That increasing oxygen partial pressurecould accelerate burning velocity and form more fine coal particles Gasification rate increases with the increase ofpartical pressure of gasification agent. The deposition rate of H,0 is lower than the reduction rate of Co,,whereasgenerated gas could further pervent the gasification reactionKey words: pressurize; pyrolysis; combustion mechanism; gasification mechanism; coal combustion; coal gasificationnumennulation煤炭是中國的主要能源,2011年全國煤炭總產(chǎn)帶來了一系列環(huán)境問題,如高濃度CO2導(dǎo)致的溫室量已達到35億t。但是在利用煤炭資源的同時,也效應(yīng)和各種污染物的排放對環(huán)境的污染等因此發(fā)收稿日期:2011-12-31責(zé)任編輯:宮在芹基金項目:河南省科技成果轉(zhuǎn)化項目(102201210016)作者簡介:楊紅深(1961-),男,河南伊川人,高級工程師中國平煤神馬集團許首山焦化公引用格式:楊紅深谷小虎壓力對煤氣化反應(yīng)的影響[門]活凈煤技術(shù),2012,18(2楊紅深等壓力對煤氣化反應(yīng)的影響TH中國煤化工CNMHG化利用展高效清潔的煤炭利用技術(shù)迫在眉睫3汽氣化反應(yīng)性。推測是由于熱解產(chǎn)物無法揮發(fā)煤炭氣化是煤在氣化爐中,在一定的溫度、壓析出,沒有打開煤焦顆?？紫对斐?。增大外壓延長力條件下與氣化劑發(fā)生反應(yīng),生產(chǎn)COH2和CH4的了焦油在煤顆粒表明的停留時間在溫度和壓力的過程。目前先進的氣化技術(shù)都采用加壓操作,提高作用下,焦油發(fā)生二次反應(yīng),即再沉積和再聚合反操作壓力,可增加產(chǎn)能,提高煤炭氣化效率,減少污應(yīng)。焦油二次產(chǎn)物活性較低12),)著在煤焦顆粒染物排放。本文主要研究壓力對煤氣化各個過程表明微孔的開孔上,在氣化反應(yīng)初期阻礙了煤焦活的影響。性位與氣化劑的接觸,反應(yīng)速度降低3。范曉雷1壓力對煤熱解過程的影響等對神府煤采用加壓熱重分析儀分析后發(fā)現(xiàn)N2氣氛下加壓熱解制得的煤焦的CO2氣化反應(yīng)性會煤氣化包括2個過程:第1個過程是煤的快速降低,但在H2氣氛下煤焦活性得到提高。熱解,即脫揮發(fā)分過程;第2個過程是熱解半焦的氣還有研究表明,不同熱解壓力下煤焦的表面反化過程。外壓對煤熱解的影響因煤種、反應(yīng)氣氛、應(yīng)速度不同,但顆粒內(nèi)部反應(yīng)速度相近,因此熱解操作條件的不同,表現(xiàn)出一定的差異。壓力只是影響了焦炭表面結(jié)構(gòu)(開孔率和比表面1.1壓力與揮發(fā)分、焦油產(chǎn)量的關(guān)系積),而對決定核內(nèi)部反應(yīng)活性的化學(xué)結(jié)構(gòu)作用壓力對煙煤熱解的影響強于無煙煤。隨著操不大。作壓力的增加,揮發(fā)分和焦油的產(chǎn)量出現(xiàn)下降,特別是后者對壓力的變化很敏感。高溫下,壓力對揮2壓力對煤焦燃燒速度的影響發(fā)分和焦油產(chǎn)量的影響加強。但在過高的壓力下,2.1總壓的影響其影響會變?nèi)?。主要是因為焦油在高壓下會大量對加壓燃燒進行的研究較多,包括純氧和混合分解為小分子。揮發(fā)分在H2氣氛下含量明顯氣體條件下。 Turnbull等5在溫度為1023~1173K,升高46。壓力最高為1722.525Pa的條件下,測定碳顆粒在一般認為提高熱解壓力引起的焦油二次反應(yīng)流化床內(nèi)的燃燒速度。研究發(fā)現(xiàn)燃燒速度隨操作和揮發(fā)分逸出難度的增大,導(dǎo)致了上述現(xiàn)象。壓力壓力的增加而提高。并且認為,低壓下反應(yīng)速度屬的影響還與焦油初期產(chǎn)物的蒸氣壓有關(guān)73?；瘜W(xué)反應(yīng)動力學(xué)范圍加壓下受擴散作用控制。Suuberg特別強調(diào)了蒸氣壓在焦油演變過程中的作22o2分壓的影響用。焦油組分蒸氣壓的高低與其分子量的大小呈煤與氣化劑之間的主要化學(xué)反應(yīng)多為強吸熱反比例關(guān)系,這樣原本在低壓下能夠逸出的大分子反應(yīng)。為了保證氣化反應(yīng)能夠在較高的氣化爐操產(chǎn)物,在加壓下不會逸出,這也解釋了加壓下煤熱作溫度下快速、連續(xù)進行,一般通過使煤料中的部解產(chǎn)物產(chǎn)量低,且組分多為小分子的情況。由于焦分碳與氣化劑中的氧發(fā)生燃燒反應(yīng)的方式來為氣油二次反應(yīng)的重新聚合和煤自供氫行為,增加了煤化過程提供必要的熱量。氣產(chǎn)量特別是CH4的產(chǎn)量。Robert H Hurt16認為煤燃燒機理為:2壓力與煤焦的關(guān)系C+O2C(0)(1)煤在加熱過程中會發(fā)生膨脹,加壓情況下膨脹C(O)+02—+CO2+C(0)度增加。當壓力超過1013.25Pa時,膨脹減弱。熱C(0)→→CO(3)解壓力對煤焦表面形態(tài)有很大影響。大量多孔、薄反應(yīng)速率Ro為壁的煤焦顆粒會隨著壓力的增加而生成,同時煤中K, K, P2 +K,K,P的鏡質(zhì)組含量極大影響著上述煤焦顆粒的比例。RK,Po,+K3/2(4)Le6°發(fā)現(xiàn)加壓情況下制得的煤焦的表面積小于常式(4)中K1、K2、K3分別為反應(yīng)(1)~(3)的速率常壓下制得的煤焦表面積。表面積的變化與煤在加數(shù),mol"Ls',其中n為反應(yīng)級數(shù);Pa為O2分熱過程中的熱塑性有關(guān)。壓,Pa。在惰性氣氛下,煤焦蒸汽氣化反應(yīng)性不受壓力Jean-Robert R影響但如果在H2氣氛下,提高熱解壓力會降低蒸分壓對3種不同煤v“中國煤化立察了CNMHG力為?！稘崈裘杭夹g(shù)》2012年第18卷第2期轉(zhuǎn)化利用中國科技核心期刊全國中文核心期刊礦業(yè)類核心期刊壓到21MPa,溫度為723-1023K的條件下進行研且CO對蒸汽氣化的抑制作用大于H2;對泥炭煤焦究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),固定總壓,提高O2分壓會提高燃燒進行研究時發(fā)現(xiàn),氣化反應(yīng)速度隨壓力的增加而降速度;固定O2分壓,提高總壓,燃燒速度下降低,其原因是CO和H2對氣化反應(yīng)的抑制作用過Joutsenoja等1發(fā)現(xiàn)固定總壓,提高O2分壓,煤燃強。因此壓力對氣化反應(yīng)的影響依煤階不同而盡的時間會縮短。 Roberts等9借助加壓熱重分析不同。儀(TGA測量了澳大利亞褐煤的燃燒速度,發(fā)現(xiàn)從對于氣相反應(yīng),升高反應(yīng)壓力時,反應(yīng)向體積常壓到3MPa下,顆粒表面反應(yīng)速率級數(shù)幾乎保持減小的方向進行;反之,反應(yīng)向體積增加的方向進不變。 Monson等(選用猶他煤和匹茲堡煤研究煤行。氣化爐內(nèi)發(fā)生的主要反應(yīng)為:高溫高壓下燃燒特性,在總壓分別為0.1、0.5、1、C+2H2一CH4(5)1.5MPa,溫度為100,01500K的條件下,固定O2分CO+3H2—CH4+H2O(6)壓,發(fā)現(xiàn)將操作壓力由0.1MPa升至0.5MPa時,反2CO+2H,一→CH4+CO應(yīng)速度會有少許增加,當操作壓力繼續(xù)提高,反應(yīng)CO2+4H2一CH4+2H2O(8)速度開始劇烈下降。由此認為固定O2分壓,提高增加反應(yīng)壓力,有利于甲烷的生成,反應(yīng)(1)總壓會降低煤炭顆粒與O2接觸的表面積(4)均為放熱反應(yīng),因此可降低氧耗。CO2還原和提高O2分壓,煤燃燒速度會增加,是因為加壓蒸汽分解的反應(yīng)為:條件下易生成多孔、薄壁的煤焦氣流速度減慢,氣C+C02+2CO(9)相反應(yīng)物濃度增加,氣固接觸時間延長。C+H2O一→H2+CO(10)煤在燃燒過程中會發(fā)生破碎,研究發(fā)現(xiàn)在加壓壓力越高,CO和H2的平衡濃度越低。為了滿條件下破碎現(xiàn)象更為明顯1,這破壞了煤中礦物質(zhì)足CH4的生成只有增加H2的絕對含量,因此蒸汽之間的聚結(jié)度,因此加壓燃燒下產(chǎn)生的煤灰顆粒粒耗量相對較大度較小,比常壓下煤灰易熔聚粘結(jié)。加壓下碳與CO2的反應(yīng)機理為:C+CO2→CO+C(O)3壓力對煤焦氣化反應(yīng)的影響C+C(O)—CO+C(12)Sue A Quan等2研究了5種不同煤在壓力條C1+C(O)—C(CO0)(13)件下的氣化特性。發(fā)現(xiàn)亞煙煤和高揮發(fā)分非粘結(jié)C(CO)+CO2-+2CO+C(0)(性煙煤,在噴動床中氣化能得到適合聯(lián)合循環(huán)的高CO+C(CO)-C02 +20(15)質(zhì)量煤氣。Cuel等在對英國和美國的煤種進行式中,Cr為C活性位,一個潛在的可以吸附含氧氣研究時發(fā)現(xiàn),在制焦溫度為700℃,壓力小于4MPa體的反應(yīng)活性位;C(0)為化學(xué)吸附氧后形成的碳氧時,CO2氣化反應(yīng)性隨著壓力的增加而增加;但當制復(fù)合物。焦溫度為850℃時,CO2氣化反應(yīng)性先是隨著壓力不少研究者用郎繆爾-欣謝爾伍德等溫吸附形的增加而增加,當壓力約為2MPa時,達到最大值,式來描述反應(yīng)速率:隨后便急劇下降。 Li Shufen等發(fā)現(xiàn)在氣化壓力D P16為0.098~245MPa,溫度1023~1273K的條件下,1+D2 Pco+D,P(煤的CO2氣化反應(yīng)性隨著壓力的增加,都有一定程式中,D1、D2和D3分別為表面氧化物分解,CO逸入度的增加。氣相及CO的解吸等過程的個別階段的常數(shù);Po2為Blackwood等(3)經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),在進行氣化反CO2的分壓,Pa,P為CO的分壓,Pa應(yīng)性測定時,增加氣化劑(H2O和CO2)壓力會提高加壓下碳與蒸汽的反應(yīng)機理為氣化反應(yīng)速度,且C和H2O的反應(yīng)速度大于C和C+H2O—H2+C.O,CO2。研究發(fā)現(xiàn)氣化產(chǎn)物H2和C0會對氣化反應(yīng)H2(吸附)一H(18)產(chǎn)生抑制作用,利用熱天平對7種不同變質(zhì)程度煤C.O,+H2O—CO(吸附)+H2(19)焦進行研究,氣化反應(yīng)速度楊紅深等:壓力對煤氣化反應(yīng)的影響為的地加x式中60YH圖轉(zhuǎn)化利用反應(yīng)速率方程式為:[11] Messenb Ockr C, Dugwell D R, Kand lyo TI R CO 2 andK, Psteam-gasification in a high pressure wire-mesh reactorW:(20)The reactivity of daw mill coal and combustion reactivity1+K2PH,+K,PH,oof its chars[ J]. 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