影響煤氣化反應性的關鍵因素

【摘 要】在具體工作中，煤氣化工藝是煤的清潔化利用的關鍵技術之一，對其有效性的研究應用是很有意義的?；诖?，本文筆者就將結合以往工作經(jīng)驗，對煤氣化反應性的關鍵因素進行分析研究，以期能為以后的實際工作起到一定的借鑒主要。

【關鍵詞】煤氣化；反應；因素

1、煤氣化反應概述

煤氣化技術是未來煤炭高效清潔利用的關鍵技術之一，為我國能源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略提供了重要保障。該技術是指在特定的設備內(nèi)（如氣化爐），以煤或煤焦為原料，以氧氣（空氣、富氧或純氧）、水蒸氣或氫氣為氣化劑，在一定的溫度和壓力下，通過一系列化學反應將原料煤從固體燃料轉化為CO、H2和烴類等氣體燃料，最終產(chǎn)生的高熱值煤氣可作為高品質(zhì)的燃氣直接供民用或作為原料供燃氣輪機發(fā)電使用，還可以作為合成氣加工合成化工產(chǎn)品等。因此，研究煤氣化過程中的主要影響因素，對改進煤氣化技術，提高煤氣熱值，降低污染物排放，實現(xiàn)煤炭高效清潔利用有著顯著意義。

2、煤氣化反應性實驗

2.1、熱失重實驗

2.1.1、實驗儀器

2.1.2、實驗步驟

1）檢查實驗裝置是否已經(jīng)連接完好，實驗用氣體管線是否已連接好，并進一步檢查氣路的密封性是否完好；2）如果更換吊籃、直鉤、彈簧等配件，必須進行校正實驗，對彈簧的K進行重新校正；3）在實驗氣氛下測得無樣品空白實驗數(shù)據(jù)作為實驗的基準數(shù)據(jù)；4）稱取樣品（粒度≤0.1mm）20mg～50mg均勻放于墊有高溫棉的吊籃中；5）將吊籃輕輕掛在石英鉤上，罩上石英罩管，并使吊籃處于石英管中心位置，同時旋緊卡子使其固定；6）把電加熱爐升到固定高度，使石英管位于電加熱爐膛中心，避免石英管碰壁；7）設定溫度控制儀的升溫程序，打開氣氛管路；8）打開電加熱爐電源，打開位移測量儀的電源，然后在打開記錄儀記錄數(shù)據(jù)，開始實驗；9）當電加熱爐停止加熱時，關閉電源和氣路閥門，停止實驗。

2.2、氣化動力學實驗

2.2.1、動力學模型的建立

本研究對煤氣化反應動力學模型建立過程如下，由于煤氣化反應屬于氣固多相反應，機理比較復雜，一般可用方程式：

3、煤氣化反應性的影響因素分析

3.1、原煤性質(zhì)

煤階是反映煤變質(zhì)程度的一個重要指標，隨著煤階的增加，煤的物理結構和化學組成也會發(fā)生相應變化。一般而言，煤的氣化活性隨煤階的升高而降低。在H2O、CO2和H2氣氛下，不同煤焦的氣化活性大小次序為：褐煤焦>煙煤焦>瀝青焦；在煤氣化的研究中，發(fā)現(xiàn)礦物質(zhì)的存在對煤氣化過程具有明顯的催化作用。其中，K、Na、Mg和Ca等元素的催化作用最為明顯，F(xiàn)e對氣化反應也具有較好的促進作用。褐煤具有較高的氣化反應性，主要取決于礦物質(zhì)的催化作用。研究發(fā)現(xiàn)褐煤焦的氣化速率與其堿性指數(shù)有很好的相關性，其中堿性指數(shù)定義如下

煤氣化過程中，氣化半焦孔結構的變化會影響煤焦的比表面積，進而影響氣體的擴散和傳輸。當煤焦氣化的碳轉化率超過某一定值時（空氣氣氛），孔徑<1nm的微孔表面積和孔容變化不大，對于孔徑在1--250nm的孔，其孔表面積和孔容積均隨轉化率的增大而變大；在CO2氣氛下氣化，所有孔徑的孔表面積和孔容積都隨碳轉化率的增大而變大。在高溫下，反應速率明顯變快，氣化反應性主要受氣體擴散速率的影響，而擴散速率主要受孔結構的影響。

3.2、熱解條件

3.2.1、熱解溫度

熱解溫度是影響煤焦氣化反應性的重要因素之一。涉及溫度的熱解條件包括：熱解終溫、升溫速率和終溫停留時間等。研究發(fā)現(xiàn)熱解溫度升高使煤焦表面積減小，從而使得熱解半焦的氣化反應性降低。采用不同制焦溫度和不同升溫速率，對7種不同煤階的煤樣的氣化反應性研究發(fā)現(xiàn)：升溫速率為20℃/min時，低溫（750℃）下制得煤焦的氣化反應性差別很大，而高溫（1100℃）下制得煤焦的氣化反應性相差較??；升溫速率為1200℃/min時，不同煤焦的氣化反應性差別明顯。唐黎華等研究了5種煤焦的高溫氣化特性：1000℃時，5種煤焦的氣化速率差距明顯，隨制焦溫度的提高煤焦的氣化反應性呈下降趨勢；1400℃時，不同煤焦的氣化反應速率趨于一致。

3.2.2、熱解壓力

熱解壓力同樣會影響煤焦的氣化反應性。在常壓下，熱解溫度越高，所得焦的活性越低；在加壓（3MPa）條件下，熱解所得焦中，氣化活性最好的卻是800℃下制得的煤焦，這與熱解壓力的影響密切相關。加壓條件下所得煤焦與常壓下所得煤焦反應性差異明顯，煤焦的水蒸氣氣化反應性高于常壓下熱解煤焦的氣化反應性。一般加壓條件下，熱解容易使焦油等液相產(chǎn)物發(fā)生沉積和聚合反應，使得煤焦的初期氣化反應性偏低。

3.2.3、熱解產(chǎn)物的二次反應

煤在熱解時會產(chǎn)生焦油、氣體和煤焦，其中焦油會發(fā)生二次熱解反應，再次生成固體碳（二次焦）和一些氣體等產(chǎn)物。在高溫高壓、高升溫速率條件下，煤在氣流床氣化爐中熱解時，有二次焦生成，其CO2氣化反應性約為同時生成煤焦的1/20--1/6。熱解時壓力的存在抑制焦油的逸出，促使其沉積、二次熱解生成反應性低的二次焦。

3.3、氣化條件

3.3.1、氣化溫度

在煤氣化的研究中，絕大多數(shù)研究都涉及到氣化溫度對氣化活性的影響，這為氣化技術的發(fā)展提供了許多有價值的數(shù)據(jù)和參考。從已有的研究來看，當氣化溫度約低于1150℃時，煤焦的氣化反應活性隨溫度升高而增加；1150～1400℃時，氣化反應逐漸過渡到擴散控制區(qū)域，溫度的影響變得不太明顯，但溫度升高，氣化速率仍有一定的增加；然而，當溫度高于1400℃時，由于受實驗設備和手段的限制，文獻中很少涉及，值得進一步研究。

3.3.2、氣化壓力

氣化爐大多在加壓條件下運行，考察氣化壓力對煤氣化活性的影響，可以為氣化爐的設計和運行提供基礎數(shù)據(jù)。氣化劑分壓及反應總壓都會對煤或煤焦的氣化活性產(chǎn)生影響。

在較低溫度下，氣化速率隨水蒸氣分壓減小而降低，氣體產(chǎn)物H2和CO2產(chǎn)率減小，而CO產(chǎn)率增加，煤焦與水蒸氣氣化反應的反應級數(shù)為0.2--0.5；CO2分壓對氣化反應性有明顯影響，反應速率與CO2分壓成正比，由縮核芯模型求出的反應級數(shù)為0.4--0.7。分壓對氣化反應性的影響因氣化劑種類而異，CO2、H2O為氣化劑時，反應級數(shù)隨壓力改變而改變；O2為氣化劑時，反應級數(shù)不隨壓力改變而變化。然而，在高溫下，CO2分壓對氣化速率有一定影響，但不是十分明顯；反應總壓對氣化速率也沒有明顯的影響。

3.3.3、氣化劑

煤氣化反應的氣化劑主要有：O2、空氣、H2O、CO2及H2等。研究者對不同氣化劑與煤焦的氣化反應進行了廣泛而深入的研究。在反應條件一定的情況下，氣化反應速率大小依次為：O2>Air>H2O>CO2>H2。由于碳與H2O和CO2的反應是煤氣化中最主要的反應，因此對水蒸氣和CO2氣氛下的研究也最多一般來說，煤焦-水蒸氣氣化反應速率比煤焦-CO2氣化反應速率要大，這主要是因為前者反應的活化能要低于

后者。

煤焦-水蒸氣和煤焦-CO2二者的氣化反應速率的大小關系主要受溫度的影響。在920--1050℃下，無煙煤焦的水蒸氣氣化反應活性要比其CO2氣化活性高約10倍，這個比值要遠高于褐煤和煙煤。然而，在高溫下，水蒸氣氣化反應活性不一定會高于CO2氣化活性，這與低溫下的結果明顯不同。至于其原因，還不是十分清楚，需要更多的實驗數(shù)據(jù)加以驗證。

總言之，煤氣化技術作為一種煤炭高效清潔利用的重要途徑和手段，將變得越來越重要，它不僅拓寬了不同煤化程度煤種的利用范圍，而且也拓寬了新疆等偏遠產(chǎn)煤區(qū)輸送能源的方式。因此在以后的實際工作中必須得到我們的重視發(fā)展。

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