壓力對煤氣化反應的影響

轉化利用中國科技核心期刊全國中文核心期刊礦業(yè)類(lèi)核心期刊壓力對煤氣化反應的影響楊紅深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(guò)程、煤焦燃燒速度及煤焦氣化反應的影響。研究發(fā)現: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)生二次反應造成的。隨著(zhù)壓力的增大,煤焦明顯膨胩且比表面積下降。但過(guò)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;數值模擬中圖分類(lèi)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(lái)了一系列環(huán)境問(wèn)題,如高濃度CO2導致的溫室量已達到35億t。但是在利用煤炭資源的同時(shí),也效應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責任編輯:宮在芹基金項目:河南省科技成果轉化項目(102201210016)作者簡(jiǎn)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的影響[門(mén)]活凈煤技術(shù),2012,18(2楊紅深等壓力對煤氣化反應的影響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汽氣化反應性。推測是由于熱解產(chǎn)物無(wú)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(méi)有打開(kāi)煤焦顆?？紫对斐?。增大外壓延長(cháng)力條件下與氣化劑發(fā)生反應,生產(chǎn)COH2和CH4的了焦油在煤顆粒表明的停留時(shí)間在溫度和壓力的過(guò)程。目前先進(jìn)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,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。焦油二次產(chǎn)物活性較低12),)著(zhù)在煤焦顆粒染物排放。本文主要研究壓力對煤氣化各個(gè)過(guò)程表明微孔的開(kāi)孔上,在氣化反應初期阻礙了煤焦活的影響。性位與氣化劑的接觸,反應速度降低3。范曉雷1壓力對煤熱解過(guò)程的影響等對神府煤采用加壓熱重分析儀分析后發(fā)現N2氣氛下加壓熱解制得的煤焦的CO2氣化反應性會(huì )煤氣化包括2個(gè)過(guò)程:第1個(gè)過(guò)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(guò)程;第2個(gè)過(guò)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(guò)程。外壓對煤熱解的影響因煤種、反應氣氛、應速度不同,但顆粒內部反應速度相近,因此熱解操作條件的不同,表現出一定的差異。壓力只是影響了焦炭表面結構(開(kāi)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),而對決定核內部反應活性的化學(xué)結構作用壓力對煙煤熱解的影響強于無(wú)煙煤。隨著(zhù)操不大。作壓力的增加,揮發(fā)分和焦油的產(chǎn)量出現下降,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(guò)高的壓力下,2.1總壓的影響其影響會(huì )變弱。主要是因為焦油在高壓下會(huì )大量對加壓燃燒進(jìn)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流化床內的燃燒速度。研究發(fā)現燃燒速度隨操作和揮發(fā)分逸出難度的增大,導致了上述現象。壓力壓力的增加而提高。并且認為,低壓下反應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)反應動(dòng)力學(xué)范圍加壓下受擴散作用控制。Suuberg特別強調了蒸氣壓在焦油演變過(guò)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。為了保證氣化反應能夠在較高的氣化爐操產(chǎn)物,在加壓下不會(huì )逸出,這也解釋了加壓下煤熱作溫度下快速、連續進(jìn)行,一般通過(guò)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)生燃燒反應的方式來(lái)為氣油二次反應的重新聚合和煤自供氫行為,增加了煤化過(guò)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(guò)程中會(huì )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(guò)1013.25Pa時(shí),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、薄反應速率Ro為壁的煤焦顆粒會(huì )隨著(zhù)壓力的增加而生成,同時(shí)煤中K, K, P2 +K,K,P的鏡質(zhì)組含量極大影響著(zhù)上述煤焦顆粒的比例。RK,Po,+K3/2(4)Le6°發(fā)現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(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,mol"Ls',其中n為反應級數;Pa為O2分熱過(guò)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(huì )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期轉化利用中國科技核心期刊全國中文核心期刊礦業(yè)類(lèi)核心期刊壓到21MPa,溫度為723-1023K的條件下進(jìn)行研且CO對蒸汽氣化的抑制作用大于H2;對泥炭煤焦究。結果發(fā)現,固定總壓,提高O2分壓會(huì )提高燃燒進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現,氣化反應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對氣化反應的抑制作用過(guò)Joutsenoja等1發(fā)現固定總壓,提高O2分壓,煤燃強。因此壓力對氣化反應的影響依煤階不同而盡的時(shí)間會(huì )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)現從對于氣相反應,升高反應壓力時(shí),反應向體積常壓到3MPa下,顆粒表面反應速率級數幾乎保持減小的方向進(jìn)行;反之,反應向體積增加的方向進(jìn)不變。 Monson等(選用猶他煤和匹茲堡煤研究煤行。氣化爐內發(fā)生的主要反應為: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)現將操作壓力由0.1MPa升至0.5MPa時(shí),反2CO+2H,一→CH4+CO應速度會(huì )有少許增加,當操作壓力繼續提高,反應CO2+4H2一CH4+2H2O(8)速度開(kāi)始劇烈下降。由此認為固定O2分壓,提高增加反應壓力,有利于甲烷的生成,反應(1)總壓會(huì )降低煤炭顆粒與O2接觸的表面積(4)均為放熱反應,因此可降低氧耗。CO2還原和提高O2分壓,煤燃燒速度會(huì )增加,是因為加壓蒸汽分解的反應為:條件下易生成多孔、薄壁的煤焦氣流速度減慢,氣C+C02+2CO(9)相反應物濃度增加,氣固接觸時(shí)間延長(cháng)。C+H2O一→H2+CO(10)煤在燃燒過(guò)程中會(huì )發(fā)生破碎,研究發(fā)現在加壓壓力越高,CO和H2的平衡濃度越低。為了滿(mǎn)條件下破碎現象更為明顯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。加壓下碳與CO2的反應機理為:C+CO2→CO+C(O)3壓力對煤焦氣化反應的影響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)現亞煙煤和高揮發(fā)分非粘結C(CO)+CO2-+2CO+C(0)(性煙煤,在噴動(dòng)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(jìn)行式中,Cr為C活性位,一個(gè)潛在的可以吸附含氧氣研究時(shí)發(fā)現,在制焦溫度為700℃,壓力小于4MPa體的反應活性位;C(0)為化學(xué)吸附氧后形成的碳氧時(shí),CO2氣化反應性隨著(zhù)壓力的增加而增加;但當制復合物。焦溫度為850℃時(shí),CO2氣化反應性先是隨著(zhù)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(shí),達到最大值,式來(lái)描述反應速率:隨后便急劇下降。 Li Shufen等發(fā)現在氣化壓力D P16為0.098~245MPa,溫度1023~1273K的條件下,1+D2 Pco+D,P(煤的CO2氣化反應性隨著(zhù)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(guò)程的個(gè)別階段的常數;Po2為Blackwood等(3)經(jīng)過(guò)研究發(fā)現,在進(jìn)行氣化反CO2的分壓,Pa,P為CO的分壓,Pa應性測定時(shí),增加氣化劑(H2O和CO2)壓力會(huì )提高加壓下碳與蒸汽的反應機理為氣化反應速度,且C和H2O的反應速度大于C和C+H2O—H2+C.O,CO2。研究發(fā)現氣化產(chǎn)物H2和C0會(huì )對氣化反應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(jìn)行研究,氣化反應速度楊紅深等:壓力對煤氣化反應的影響為的地加x式中60YH圖轉化利用反應速率方程式為:[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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