外在礦物質(zhì)對(duì)型煤加壓氣化特性的影響?

林雄超 王彩紅 田 斌 徐榮聲 王永剛

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

★煤炭科技·加工轉(zhuǎn)化——同煤集團(tuán)化工廠協(xié)辦★

外在礦物質(zhì)對(duì)型煤加壓氣化特性的影響?

林雄超 王彩紅 田 斌 徐榮聲 王永剛

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

以無(wú)煙煤粉煤為原料,腐植酸鈉為基礎(chǔ)添加劑,復(fù)配高嶺土、蒙脫土、坡縷石和角閃石等無(wú)機(jī)粘結(jié)劑制備高性能型煤,利用小型高溫加壓固定床氣化爐進(jìn)行型煤的氣化試驗(yàn)。結(jié)果表明,外在礦物質(zhì)可促進(jìn)氣化劑的擴(kuò)散,增強(qiáng)與煤顆粒內(nèi)外表面的接觸,提高碳轉(zhuǎn)化率,由于外在礦物質(zhì)中堿金屬和堿土金屬等的催化作用,使得反應(yīng)初期(前30 min)的反應(yīng)速率明顯加快。腐植酸鈉分別復(fù)配高嶺土、蒙脫土和坡縷石的灰渣中堿金屬與硅鋁氧化物生成鈉長(zhǎng)石,造成灰渣層局部熔結(jié),有利于氣化床層的整體穩(wěn)定;添加腐植酸鈉復(fù)配角閃石,氣化后灰渣中生成鈣長(zhǎng)石和尖晶石等高熔點(diǎn)礦物質(zhì),灰渣結(jié)渣率較低且呈多孔狀,床層松散不利保持穩(wěn)定。

型煤 加壓氣化 灰渣特性 外在礦物質(zhì)

型煤氣化技術(shù)是提高劣質(zhì)高灰分粉煤利用效率的有效途徑之一,以粉煤為原料制備型煤需要添加適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑,粘結(jié)劑通常采用天然粘土礦物質(zhì)和有機(jī)組分復(fù)配。在加壓氣化過(guò)程中,粘結(jié)劑的添加不但對(duì)原煤的反應(yīng)性有著顯著的影響,更重要的是無(wú)機(jī)粘結(jié)劑可以直接改變氣化灰渣的特性,對(duì)固定床灰渣層的形態(tài)產(chǎn)生重要影響。以往研究表明,腐植酸鈉、高嶺土以及蒙脫土等可以作為氣化型煤的粘結(jié)劑,添加粘土礦物的型煤可以表現(xiàn)出更好的氣化反應(yīng)性,并可改善原煤顆粒的灰熔融特性。同時(shí),粘土類礦物的添加也可以有效捕集揮發(fā)性堿金屬,生成高結(jié)渣性礦物質(zhì)。

加壓條件下添加外在礦物質(zhì)的型煤反應(yīng)特性與常壓相比有一定差異,會(huì)直接影響到灰層的結(jié)渣特性?，F(xiàn)有的研究多集中在常壓條件下的反應(yīng)性考察,針對(duì)型煤在加壓條件下的反應(yīng)性能及內(nèi)外礦物質(zhì)對(duì)灰渣特性影響的研究較少。加壓條件下型煤的熱強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性發(fā)生改變,使得反應(yīng)活性物質(zhì)的擴(kuò)散受到一定程度的抑制,造成型煤反應(yīng)性產(chǎn)生顯著差異,同時(shí)隨著反應(yīng)過(guò)程的改變,內(nèi)外礦物質(zhì)的反應(yīng)發(fā)生變化,進(jìn)而影響氣化后型煤的灰渣特性。

本文以腐植酸鈉為基礎(chǔ)型煤粘結(jié)劑,復(fù)配高嶺土、蒙脫土以及前期研究中的兩種高性能粘土礦物坡縷石和角閃石制備加壓氣化型煤。深入分析添加外在礦物質(zhì)后型煤的冷壓、熱壓強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性的變化規(guī)律,探究不同類型礦物質(zhì)對(duì)型煤加壓氣化反應(yīng)和灰渣特性的影響,可為解析外在礦物質(zhì)在型煤加壓氣化過(guò)程中的影響提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)原料及過(guò)程

1.1 試驗(yàn)原料

選取山西晉城礦區(qū)無(wú)煙煤為原料,其中0.180～0.850 mm粒度所占比例為60%,小于0.180 mm粒度所占比例為40%。有機(jī)粘結(jié)劑為腐植酸鈉SH,粘土礦物分別為蒙脫土M、高嶺土K、坡縷石P和角閃石Am。原煤灰、添加腐植酸鈉和粘土礦物以及氣化后灰渣中的無(wú)機(jī)組分含量利用X射線熒光光譜儀(XRF)進(jìn)行分析,原料煤以及粘結(jié)劑基本性質(zhì)和礦物成分分析見(jiàn)表1和表2。

表1 試驗(yàn)原料及粘結(jié)劑基本性質(zhì)分析 %

表2 試驗(yàn)原料及粘結(jié)劑礦物成分分析 %

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 型煤制備

稱取一定量煤粉,添加2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的腐植酸鈉并分別復(fù)配3%不同粘土礦物。加入適量水并捏合攪拌均勻,稱取15 g成型料放入模具內(nèi),于20 MPa壓力下成型,型塊在110℃經(jīng)12 h充分干燥后制備成柱狀型煤備用。制備的型煤分別以粘結(jié)劑腐植酸鈉(SH)、腐植酸鈉復(fù)配高嶺土(SH＋K)、腐植酸鈉復(fù)配蒙脫土(SH＋M)、腐植酸鈉復(fù)配坡縷石(SH＋P)和腐植酸鈉復(fù)配角閃石(SH＋Am)等表示。

1.2.2 氣化試驗(yàn)

型煤加壓氣化反應(yīng)裝置如圖1所示。

由圖1可見(jiàn),本裝置最高使用壓力為3.5 MPa,溫度為1250℃。模擬工業(yè)加壓固定床氣化工藝,試驗(yàn)設(shè)定溫度和壓力分別為1100℃和3 MPa。首先將2塊直徑為25 mm的柱狀型煤裝入反應(yīng)器,充入N2置換系統(tǒng)中的空氣并保持1 MPa壓力,同時(shí)檢查系統(tǒng)氣密性?？焖偕郎刂?100℃,切換通入0.6 ml/min的H2O以及20 ml/min的O2進(jìn)行氣化反應(yīng),通過(guò)背壓閥維持3 MPa氣化壓力。間隔10 min連續(xù)收集1.5 L氣體,通過(guò)在線氣體分析儀分析氣體組成及含量。反應(yīng)結(jié)束后關(guān)閉加熱爐并泄壓,切換N2對(duì)整個(gè)系統(tǒng)吹掃冷卻。

圖1 型煤加壓氣化反應(yīng)性評(píng)價(jià)裝置

反應(yīng)物在加壓固定床氣化反應(yīng)裝置中與H2O/O2進(jìn)行氣化反應(yīng)的碳轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)速率可根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算得到。

式中:Xi——反應(yīng)到i時(shí)刻的碳轉(zhuǎn)化率,%;

Li——從氣化反應(yīng)開(kāi)始到反應(yīng)時(shí)間為i時(shí)經(jīng)換算成標(biāo)況下的氣體產(chǎn)物體積流量,L/min;

φCO——i時(shí)刻生成CO氣體體積分?jǐn)?shù),%;

φCO2——i時(shí)刻生成CO2氣體體積分?jǐn)?shù),%;

φCH4——i時(shí)刻生成CH4氣體體積分?jǐn)?shù),%;

φCnHn——i時(shí)刻生成Cn Hn氣體體積分?jǐn)?shù),%;

m0——裝入反應(yīng)器的原料質(zhì)量,g;

WC——煤中碳元素的質(zhì)量含量,%;

Ri——對(duì)碳轉(zhuǎn)化率X進(jìn)行時(shí)間t的一階微分得到型煤的氣化反應(yīng)速率,min－1。

1.2.3 分析表征方法

按照MT/T 748－1997、MT/T 1073－2008和MT/T 924－2004中的方法對(duì)制備型煤的冷壓強(qiáng)度、熱壓強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試,氣體組成和含量利用德國(guó)MRU在線氣體分析儀進(jìn)行分析。通過(guò)GB/T 1572－2001對(duì)型煤在不同氣化溫度下灰渣的結(jié)渣性進(jìn)行測(cè)定,采用日本電子JSM—6700F型掃描電子顯微鏡對(duì)灰渣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,利用荷蘭帕納科公司生產(chǎn)的X射線衍射儀(XRD)分析氣化后灰渣物相變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)配不同粘土礦物型煤性能

腐植酸鈉具有揮發(fā)分含量高和熱穩(wěn)定性低的特性,單獨(dú)使用時(shí)難以滿足加壓氣化對(duì)型煤質(zhì)量的要求。粘土具有熱穩(wěn)定性好、顆粒細(xì)小以及可塑性強(qiáng)等特性,并且粘土礦物可一定程度吸附腐植酸鈉形成復(fù)合物,提高單獨(dú)使用腐植酸鈉時(shí)型煤的熱穩(wěn)定性。結(jié)果表明復(fù)配粘土礦物后,型煤的冷壓強(qiáng)度、熱壓強(qiáng)度以及熱穩(wěn)定性較單獨(dú)使用腐植酸鈉時(shí)均有所提高,復(fù)配不同粘土礦物制備的型煤性能見(jiàn)圖2。

圖2 復(fù)配不同粘土礦物制備的型煤性能

2.2 復(fù)配不同粘土礦物型煤加壓氣化特性

2.2.1 氣化反應(yīng)特性

制備的型煤在1100℃及3 MPa氣化條件下,型煤加壓氣化反應(yīng)曲線見(jiàn)圖3。

由圖3(a)中可見(jiàn),復(fù)配粘土礦物后,型煤初始?xì)饣A段,即前30 min的碳轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速率都增大,但不同礦物對(duì)反應(yīng)促進(jìn)程度不同。氣化反應(yīng)進(jìn)行到后期,碳轉(zhuǎn)化率和最大反應(yīng)速率與平均氣化反應(yīng)速率變化趨勢(shì)一致。

由圖3(b)中可見(jiàn),型煤平均氣化反應(yīng)速率為SH＋Am＞SH＞SH＋M＞SH＋K＞SH＋P。原煤中內(nèi)在礦物質(zhì)在反應(yīng)過(guò)程初期催化作用微弱,復(fù)配外在礦物質(zhì)后,由于堿金屬和堿土金屬等的催化作用,使得反應(yīng)初期的反應(yīng)速率明顯加快。氣化反應(yīng)過(guò)程中,灰渣局部熔融將阻滯氣化劑擴(kuò)散,降低與煤焦顆粒內(nèi)外表面的接觸,進(jìn)而一定程度抑制氣化反應(yīng)。

圖3 型煤加壓氣化反應(yīng)性

2.2.2 有效氣體產(chǎn)物組成變化

型煤氣化過(guò)程中有效氣體組分含量隨反應(yīng)時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖4。

由圖4可見(jiàn),整體趨勢(shì)是CO2含量隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)持續(xù)增加;CO含量在氣化反應(yīng)進(jìn)行到30 min時(shí)出現(xiàn)最大值;H2含量在反應(yīng)前30 min迅速升高,隨后增加緩慢;CH4含量在反應(yīng)的進(jìn)行到第10 min時(shí)出現(xiàn)最大值,到第30 min時(shí)降至2%左右,隨后變化趨于平緩。

氣化過(guò)程中型煤與H2O/O2主要發(fā)生水煤氣反應(yīng)和氧化反應(yīng),同時(shí)伴隨著變換反應(yīng)和還原反應(yīng)。反應(yīng)初始階段水蒸氣分壓較低,當(dāng)達(dá)到最大水蒸氣分壓后,水煤氣反應(yīng)和還原反應(yīng)開(kāi)始發(fā)生,CO含量出現(xiàn)最大值。隨著反應(yīng)的進(jìn)行,未反應(yīng)碳質(zhì)減少,水煤氣反應(yīng)和還原反應(yīng)等吸熱反應(yīng)逐漸趨緩,而變換反應(yīng)和氧化反應(yīng)等放熱反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。因此CO的含量在反應(yīng)后期逐漸減少,同時(shí)伴隨著H2和CO2含量增加,N2氣氛升溫過(guò)程中,型煤熱解生成較高含量的CH4和少量焦油。隨著高溫水蒸氣的通入,焦油發(fā)生裂解和重整反應(yīng),在反應(yīng)大約10 min時(shí)CH4含量達(dá)到最大值。由于受到反應(yīng)熱力學(xué)平衡的限制,高溫高壓不利于CH4生成,反應(yīng)后期其含量較低,CO和CO2組分含量的變化趨勢(shì)與粘土礦物對(duì)氣化反應(yīng)速率的影響一致,反應(yīng)速率快則CO含量高,CO2含量低。主要原因是水煤氣反應(yīng)和變換反應(yīng)在整個(gè)氣化過(guò)程中起主導(dǎo)作用,因此H2含量幾乎沒(méi)有差異。復(fù)配高嶺土的型煤在氣化過(guò)程中CH4含量普遍高于其它樣品,可能是高嶺土作為載體具有催化CH4的作用,促進(jìn)了C/CO與H2反應(yīng)生成CH4。

2.3 加壓氣化灰渣特性

對(duì)復(fù)配不同粘土礦物的型煤經(jīng)加壓固定床氣化后的灰渣進(jìn)行了結(jié)渣性測(cè)定,結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見(jiàn),復(fù)配腐植酸鈉和蒙脫土的型煤氣化后所得灰渣(SH＋M)結(jié)渣性最強(qiáng),大于6 mm的渣塊比例高達(dá)97.3%;其次為復(fù)配腐植酸鈉和坡縷石的型煤氣化灰渣(SH＋P),結(jié)渣率為84.7%;而單獨(dú)添加腐植酸鈉(SH)和復(fù)配腐植酸鈉和角閃石(SH＋Am)的型煤氣化后灰渣呈現(xiàn)粉狀,未形成大塊狀結(jié)渣。氣化灰渣的結(jié)渣特性與其物相組成直接相關(guān),灰渣中易熔融物相起到黏結(jié)難熔礦物質(zhì)的作用,冷卻后即形成堅(jiān)硬的大塊灰渣,結(jié)渣率增強(qiáng)。

利用XRD對(duì)復(fù)配外在礦物質(zhì)型煤氣化后的灰渣物相進(jìn)行表征,其衍射圖譜如圖6所示,圖中M代表Al6Si2O13、A代表Ca(Si,Al)2Si2O8、Al代表Na AlSi3O8、Ma代表MgFe Al O4、R代表(Mg,Fe)2SiO4。

型煤氣化后灰渣中生成包括莫來(lái)石、鈣長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、鎂鋁尖晶石和橄欖石等物質(zhì)。橄欖石(熔點(diǎn)1065℃)和鈉長(zhǎng)石(熔點(diǎn)1100℃)在氣化過(guò)程中熔融形成固熔體,而其它高熔點(diǎn)礦物在氣化階段較為穩(wěn)定。鈉長(zhǎng)石和橄欖石含量將影響氣化灰渣的結(jié)渣特性。

由圖6中Ⅰ可以看出,由于腐植酸鈉熱穩(wěn)定性較差,組分易揮發(fā),單獨(dú)添加少量腐植酸鈉制備的型煤灰渣中主要以莫來(lái)石和鈣長(zhǎng)石為主,因此其結(jié)渣性較低。

由圖6中Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ可以看出,腐植酸鈉復(fù)配蒙脫土、高嶺土和坡縷石后制備的型煤灰渣中仍然以莫來(lái)石為主,但同時(shí)生成了一定量的鈉長(zhǎng)石和橄欖石,灰渣結(jié)渣率較高。

圖4 氣化過(guò)程有效氣體組分含量隨反應(yīng)時(shí)間的變化曲線

圖5 加壓氣化后灰渣的結(jié)渣性

圖6 復(fù)配不同粘土礦物型煤氣化后灰渣的XRD衍射圖譜

由圖6中Ⅴ可以看出,復(fù)配添加角閃石的型煤氣化后灰渣中生成一定量鎂鋁尖晶石和鈣長(zhǎng)石,在1100oC氣化條件下未能熔融,因此結(jié)渣率降低。氣化前后灰渣中常量氧化物的含量組成見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn),Na元素在1100℃氣化溫度下部分揮發(fā),所以氣化后灰渣中的Na含量稍降低。高溫下高嶺土K對(duì)堿金屬具有捕集效果,因此復(fù)配高嶺土的型煤氣化后灰渣中Na含量變化較小,并主要形成鈉長(zhǎng)石固熔體。蒙脫土中Na存在于礦物晶體層間較為穩(wěn)定,氣化后灰渣中形成更多易熔礦物。由于含有較多的Ca和Mg等元素,反應(yīng)過(guò)程中取代固熔體中的Na,生成鎂鋁尖晶石和鈣長(zhǎng)石。此類礦物質(zhì)在本研究氣化條件下熔點(diǎn)相對(duì)較高,造成復(fù)配角閃石的型煤氣化后灰渣結(jié)渣率較低。

表3 氣化前后灰渣中的組成變化%

分別添加SH、SH＋K、SH＋M、SH＋P和SH＋Am制備型煤氣化后灰渣形貌見(jiàn)圖7。

圖7 添加SH、SH＋K、SH＋M、SH＋P和SH＋Am制備型煤氣化后灰渣形貌

由圖7(a)可見(jiàn),單獨(dú)添加腐植酸鈉SH后氣化灰渣呈現(xiàn)多孔疏松狀,結(jié)渣不明顯;復(fù)配高嶺土K(圖7(b))、蒙脫土M(圖7(c))以及坡縷石P(圖7(d))的灰渣中存在規(guī)則的小球顆粒,主要是鈉長(zhǎng)石發(fā)生局部熔融后在表面張力的作用下凝聚形成;復(fù)配角閃石Am(圖7(e))的型煤灰渣高溫固熔體較多,呈多孔松散分布形態(tài), SEM結(jié)果與XRD分析結(jié)果一致。

3 結(jié)論

系統(tǒng)考察外在礦物質(zhì)對(duì)型煤氣化反應(yīng)及灰渣特性的影響,得到如下結(jié)論:

(1)添加外在礦物質(zhì)可增強(qiáng)氣化劑擴(kuò)散,促進(jìn)與煤顆粒內(nèi)外表面的接觸,提高型煤氣化反應(yīng)的碳轉(zhuǎn)化率;由于外在礦物質(zhì)中堿金屬和堿土金屬等的催化作用,使得氣化反應(yīng)初期的反應(yīng)速率明顯加快。

(2)腐植酸鈉分別復(fù)配高嶺土、蒙脫土和坡縷石的灰渣中堿金屬與硅鋁氧化物生成鈉長(zhǎng)石,灰渣層局部熔結(jié),利于氣化床層的穩(wěn)定;添加腐植酸鈉復(fù)配角閃石后,礦物質(zhì)反應(yīng)過(guò)程中堿土金屬置換固熔體中的堿金屬,氣化后灰渣中生成鈣長(zhǎng)石和尖晶石等高熔點(diǎn)礦物質(zhì),灰渣結(jié)渣率 較低且呈多孔狀,床層松散不利保持穩(wěn)定。另外,氣化過(guò)程中灰渣過(guò)度熔融將阻滯氣化劑擴(kuò)散,降低與煤顆粒表面的接觸,一定程度抑制氣化反應(yīng)進(jìn)行。

[1] 趙巍,李遠(yuǎn)才,萬(wàn)鵬等.基于腐植酸鈉的型煤復(fù)合粘結(jié)劑的研究[J].中國(guó)煤炭,2011(12)

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Impact of external minerals on the gasification characteristics of briquette during pressurized fixed-bed gasification

Lin Xiongchao,Wang Caihong,Tian Bin,Xu Rongsheng,Wang Yonggang
(School of Chemical and Environmental Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

The anthracite as raw material,the high performance briquettes were prepared using sodium humate binder blending with kaolinite,montmorillonite,palygorskite and amphibole,respectively．The gasification characteristics of briquettes have been tested on a pressurized fixed-bed gasifier．The results showed that the addition of external minerals enhanced the diffusion of gasification agent on the internal and external surfaces of coal particles,which improved the carbon conversion of briquette．The alkali and alkaline earth metals in the additive have been considered to catalyze the gasification reaction and accelerate the reaction rate at the incipient 30 min．Sodium humate formated albite after respectively compounded kaolinite,montmorillonite,and alkali metal and silicon aluminum oxide of palygorskite,resulting in the locally fouling of the ash and beneficial to the stable operation of gasification．The addition of sodium humate blending with amphibole generated mainly higher melting point minerals inanorthite and spinel．Such minerals lead to the lower clinkering ratio and porous morphology of ash,which is harmful to the stable operation of gasification．

briquette,pressurized gasification,fouling characteristic,external minerals

TQ536.1

A

林雄超(1982－),男,河北保定人,講師,研究方向?yàn)槊禾壳鍧嵽D(zhuǎn)化。

(責(zé)任編輯 王雅琴)

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21406261),教育部留學(xué)人員科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(L02004),北京市優(yōu)秀人才資助項(xiàng)目(2013D009014000001)