崔佃淼, 歐陽平, 張 然, 劉艷芳, 王大川, 崔龍鵬
(中國石化 石油化工科學研究院,北京 100083)
中國能源結構特點為“富煤貧油少氣”,因此以煤為原料,通過氣化技術生產合成氣或天然氣,是值得關注與研究的技術方向。近年來,氣流床氣化技術由于具有處理量大、污染低的優(yōu)點而獲得了重大發(fā)展。然而,由于氣流床氣化爐的反應溫度一般在1400 ℃左右,因此需要大量換熱并導致能效降低。雖然固定床和移動床反應器操作溫度較低,理論能效可大大高于氣流床反應器,但低溫導致煤需要更長的反應時間以達到理想的碳轉化率,同時后續(xù)含酚廢水的處理也是急需解決的難點。
催化氣化作為一種高效的氣化技術,通過在反應過程中加入催化劑,提高了煤的氣化反應活性,并可將反應溫度降至600~900 ℃,設備投資更低,同時產品氣組成可調,因此獲得了廣泛關注。K2CO3是目前氣化過程中研究和應用最多的催化劑[1-4],但其在使用過程中易與煤中礦物質相互作用導致催化劑失活,同時由于生成不溶于水的物質導致催化劑回收難度增加,操作成本提高[5-8];此外,鉀催化劑在高溫下容易揮發(fā),導致催化劑損失和對氣化爐耐火材料及后續(xù)系統的腐蝕[9-10]。
近年來發(fā)現Ca(OH)2對褐煤具有較好的催化氣化效果,主要是因為Ca(OH)2可與褐煤表面含氧官能團發(fā)生離子交換作用[11-13],并與煤焦形成一種特定結構[14],從而提高了鈣物種在褐煤表面的分散度,因此Ca(OH)2作為一種廉價、可棄的高效催化劑在褐煤的利用中得到了廣泛關注[11,15-17]。但目前針對廉價Ca(OH)2對次煙煤的催化氣化性能,尤其是加壓條件下的催化氣化性能的研究相對較少。
另一方面,Ca(OH)2除可催化煤的氣化反應外,還可吸收反應產生的CO2發(fā)生碳酸化反應,促進氣化反應向生成H2的方向移動,生成的CaCO3再經煅燒后恢復吸收能力,生成的高純CO2可以直接進行捕集和封存,因此,Ca(OH)2等鈣基化合物也常被用于化學鏈氣化系統制備H2[18-20]。
筆者利用廉價Ca(OH)2作為催化劑和CO2吸收劑,在加壓固定床上考察了水蒸氣氣氛下渭化次煙煤及其熱解半焦添加Ca(OH)2的催化氣化特性,探討了次煙煤及其熱解半焦負載Ca(OH)2的過程機理,并探索將鈣基碳酸化反應與煤的催化氣化反應相耦合,來提高煤的轉化效率和產氫性能。
Ca(OH)2,分析純,北京化工廠。實驗選用渭化次煙煤(命名為WH)作為研究對象,WH經破碎、篩分得到100~120目的顆粒作為實驗用煤。在N2氣氛下,將實驗用煤分別在600 ℃和800 ℃下熱解1.5 h,得到熱解半焦,分別命名為WH600和WH800。渭化次煙煤及其熱解半焦的工業(yè)分析和元素分析結果見表1。
表1 渭化次煙煤和熱解半焦的工業(yè)分析及元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of Weihua sub-bituminous coal and char samples
1) Proximate analysis, Air dry basis; 2) Ultimate analysis, daf-Dry ash free basis; 3) By difference
催化劑分別通過浸漬和干混2種方式與原煤或熱解半焦樣品進行混合。浸漬法是將待測樣品和催化劑放入燒杯,加入去離子水充分攪拌均勻,然后在加熱和不斷攪拌下將燒杯中水蒸干,得到干燥樣品。干混法是將待測樣品和催化劑通過機械攪拌的方式混合均勻。催化劑的添加量以渭化次煙煤或其熱解半焦的質量分數計。通過浸漬法和干混法制備的樣品分別命名為S-nI和S-nD,其中,S為WH、WH600或WH800,n為加入Ca(OH)2的質量分數的值,n=w(Ca(OH)2)×100。 此外,向 WH600-17I 中再次干混加入原熱解半焦質量17%的Ca(OH)2制得的樣品命名為WH600-17ID。
考察Ca(OH)2循環(huán)性能時,按照鈣基催化劑的回收率為50%進行實驗,除第一次反應所用催化劑全部來自新鮮Ca(OH)2外,其余反應所用Ca(OH)2中50%的Ca來自新鮮Ca(OH)2,另外50%來自上次反應殘余物高溫焙燒后的灰,并將循環(huán)反應過程命名為cycle-b,其中,b為最初始添加的Ca(OH)2在此次反應之前參與循環(huán)反應的次數,cycle-0即為全部添加新鮮Ca(OH)2的樣品的反應。
采用PANalytical公司的X’Pert衍射儀表征樣品物相,使用Cu靶Kα射線(λ=0.15418 nm),操作電壓40 kV,操作電流40 mA。采用Bruker公司的Tensor27型傅里葉變換紅外光譜儀對樣品進行紅外光譜分析,以溴化鉀壓片,波數為400~4000 cm-1,分辨率為1 cm-1。通過荷蘭FEI公司的Quanta-200型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品的表面形貌,采用X射線能譜儀(EDS)定量分析樣品表面成分。
采用德國NETZSCH公司的STA449F3型熱重分析儀表征反應后樣品中生成CaCO3中的碳的質量。在N2氣氛下,以100 ℃/min的升溫速率升溫至400 ℃,恒溫3 min,然后以100 ℃/min的升溫速率升溫至800 ℃,恒溫8 min,確保樣品中的CaCO3完全分解。根據樣品在620~800 ℃之間的質量損失確定樣品中生成的CaCO3中碳的質量。
圖1為實驗所用加壓固定床氣化裝置示意圖。裝置所用不銹鋼管式反應器內徑為50 mm,長700 mm,設計溫度900 ℃,設計壓力4.5 MPa。反應器外加熱爐采用四段電加熱,反應器中下部等溫區(qū)設置篩板用來支撐反應樣品。氣化實驗時,將一定量的原煤或熱解半焦樣品加入反應器上部料斗中,待反應器內達到實驗所需溫度和壓力時開啟載氣(N2),打開高壓進水泵進水,進水流量為1.0 g/min,經加熱爐氣化后在1.5 L/min N2攜帶下,經預熱爐預熱后從上部進入反應器。待溫度和壓力進一步穩(wěn)定,將料斗內樣品吹送進反應器內,氣化反應開始。次煙煤氣化實驗時氣化反應時間為2.5 h,熱解半焦氣化實驗時氣化反應時間為4 h。反應后的水蒸氣和少量焦油經冷凝器在氣-液分離器中冷凝,氣相產物經濕式氣體流量計計量后收集分析。采用安捷倫GC 7890B氣相色譜對氣體產物進行分析。
定義氣化反應過程中次煙煤和熱解半焦的碳轉化率(xC,%)為:
其中:m0為反應前樣品中碳的質量,g;mt為氣化反應進行t時樣品中生成CaCO3中的碳的質量,g;V為從氣化反應開始到某反應時間t時收集到的氣體總體積,L;φCO、φCO2和φCH4分別為CO、CO2和CH4氣體從氣化反應開始至t時的平均體積分數,%;T0為室溫, ℃。
圖1 加壓固定床氣化裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the pressurizedfixed-bed reactor apparatus1—Water pump; 2—Mass-flow gas meter; 3—Heater; 4—Preheater; 5—Hopper; 6—Reactor; 7—Condenser; 8—Gas-liquid separator; 9—Filter; 10—Back pressure valve; 11—Water gas meter
某氣體的氣體產量(δi,m3/kg)定義為標準狀況(273.15 K,0.1 MPa)下樣品中單位質量的碳轉化生成該氣體的體積,計算公式為:
其中,i代表H2、CO、CO2或CH4;φi為i組分氣體從氣化反應開始至t時的平均體積分數,%;δ為有效氣體產量,m3/kg。
某氣體的氣體產率(θi,m3/(min·kg))定義為標準狀況下t時樣品中單位質量的碳轉化生成i組分氣體的速率,計算公式為:
其中,βi代表i氣體在t時的體積分數,%;vi為t時的總產氣速率,通過濕式氣體流量計測得,m3/min。
在800 ℃、0.1 MPa下考察了WH以及WH-17I的氣化性能。氣化反應過程中,各組分產品氣體產率隨反應時間的變化如圖2所示。
圖2 WH和WH-17I氣化過程中氣體產率隨時間的變化Fig.2 Change of gas release rate with reaction time during the gasification of WH and WH-17IT=800 ℃; p=0.1 MPa(a) WH; (b) WH-17I
由圖2可知,氣化反應開始,產品氣中各組分的氣體產率迅速增加,并相繼在反應15 min時達到最大值,隨著反應時間延長,各氣體產率開始逐漸下降,是因為在反應開始階段主要發(fā)生次煙煤自身的熱解反應,熱解氣在高溫下分解成大量小分子化合物,從而使初始階段各氣體產率迅速增加;隨著反應進行,析出的揮發(fā)分量減少,開始發(fā)生次煙煤熱解產物半焦的氣化反應,由于熱解半焦的氣化活性相對較低,導致各氣體產率開始下降。由圖2還可見,WH-17I氣化反應過程中各氣體產率的峰值均比WH氣化時的高,說明Ca(OH)2的添加能夠促進次煙煤熱解氣中大分子化合物的裂解,使其產生更多的小分子氣體。此外,無論是否添加Ca(OH)2,次煙煤氣化產物中CH4的生成均主要集中在反應前30 min,這主要是因為常壓條件下CH4的生成主要來自于煤的熱解過程[21],而后續(xù)半焦氣化過程中生成的CH4量極少。
考察了反應條件對渭化次煙煤及其熱解半焦氣化性能的影響,結果列于表2。由表2可見,在相同氣化條件下,添加Ca(OH)2后WH的氣化性能顯著增強,碳轉化率由59.27%提高至79.85%,產品氣中有效氣(H2+CO+CH4)的產量也從1.66 m3/kg 提高至2.59 m3/kg,表明Ca(OH)2促進了次煙煤中更多的碳向氣相轉化。此外,相比于WH,WH-17I的產品氣中H2產量顯著增加,CO產量略有增加,CO2和CH4產量變化不大,表明Ca(OH)2的添加顯著增強了次煙煤的氣化反應以及CO的變換反應,并促使反應向生成更多H2的方向進行。
煤的氣化過程一般分為兩個步驟,一是煤熱解脫除揮發(fā)分生成熱解半焦,二是熱解半焦與氣化劑反應生成合成氣[22]。由于煤熱解過程的反應速率遠高于熱解半焦氣化過程的速率,因此需重點對熱解半焦的氣化性能進行研究。將WH在不同溫度下熱解制得熱解半焦,然后在800 ℃、4 MPa下考察WH600、WH800以及WH600-17I和WH800-17I的氣化性能,結果見表2。
由表2可知,當熱解溫度從600 ℃升至800 ℃,渭化次煙煤所制得熱解半焦在氣化反應過程中的碳轉化率由52.32%降至45.10%,有效氣產量由1.76 m3/kg降至1.45 m3/kg,表明隨熱解溫度升高,所制得熱解半焦的氣化活性降低。這主要是因為隨著熱解溫度升高,熱解半焦的碳微晶結構向有序化發(fā)展,化學穩(wěn)定性增強,使得半焦的氣化活性降低[23-25]。添加Ca(OH)2后,2種熱解半焦的氣化性能均有所提高,但提高幅度不同。WH600-17I的碳轉化率由52.32%提高至77.70%,有效氣產量由1.76 m3/kg提高至2.47 m3/kg;而WH800-17I的碳轉化率僅由45.10%提高至57.06%,有效氣產量由1.45 m3/kg提高至1.78 m3/kg??梢钥闯?,Ca(OH)2對低溫熱解半焦的催化性能更好。
表2 反應條件對渭化次煙煤及其熱解半焦氣化性能的影響Table 2 Effect of reaction condition on gasification reactivity of Weihua sub-bituminous coal and char samples
圖3為渭化次煙煤及其熱解半焦負載Ca(OH)2的紅外光譜。對比WH、WH600以及WH800的紅外譜可知,熱解過程中,隨著揮發(fā)分析出,熱解半焦中脂肪類C—H(3000~2700 cm-1)、含氧基團(1800~1000 cm-1)[26]含量均減少,尤其是WH800中所有官能團含量均減少,這些官能團的減少也導致樣品的反應活性降低。此外,1700 cm-1處為 —C=O— 的吸收峰[27-29],在WH、WH600和WH800中該處峰強度較小,說明渭化次煙煤及其熱解半焦中—COOH含量較少;同時在添加 Ca(OH)2后,所有樣品—C=O—吸收峰強度均未發(fā)生明顯變化,表明渭化次煙煤及其熱解半焦在浸漬Ca(OH)2過程中,并未像褐煤一樣發(fā)生鈣離子的交換[11-13]。同時,對于添加Ca(OH)2的樣品,3642.4 cm-1處出現峰型尖銳的游離—OH吸收峰,3433.9 cm-1處圓而鈍的氫鍵締合—OH吸收峰增強,873.3 cm-1處出現Ca—O—H的特征吸收峰[30],以上特征峰說明Ca(OH)2與渭化次煙煤及其熱解半焦之間不是簡單的混合,而是通過較強的靜電作用、氫鍵作用均勻分散至其表面。
由于工業(yè)上熱解一般在相對較低的溫度下進行,因此后續(xù)以WH600為研究對象,對熱解半焦的氣化性能進行考察。
圖3 渭化次煙煤及其熱解半焦負載Ca(OH)2的紅外光譜Fig.3 FT-IR spectra of Weihua sub-bituminous coal andchar loaded with Ca(OH)2(1) WH; (2) WH-17I; (3) WH600; (4) WH600-17I; (5) WH800; (6) WH800-17I
反應溫度是影響熱解半焦氣化活性最重要的因素。在4 MPa下考察反應溫度對WH600以及WH600-17I氣化性能的影響,結果見表2。由表2可見,隨著反應溫度升高,WH600和WH600-17I的碳轉化率均有所提高,WH600的碳轉化率由 670 ℃ 時的18.30%提高至800 ℃時的52.32%,提高了約34百分點;而WH600-17I的碳轉化率提高幅度更大,由670 ℃時的30.81%提高至800 ℃時的77.70%,提高了接近47百分點。由于熱解半焦的氣化反應屬于非均相氣-固反應,對于粒徑小于500 μm的顆粒,在1000 ℃以下進行氣化反應時,其氣化過程屬于化學反應控制[31-32],提高反應溫度可使熱解半焦中活性較高的碳結構活性提高,同時原本活性較低的碳結構在高溫下會被激活,從而使熱解半焦的氣化反應性能提高,氣化反應速率明顯加快[33]。而對于WH600-17I,Ca(OH)2的加入還提高了熱解半焦表面活性位點數量[11,34],因此在Ca(OH)2催化以及反應溫度升高共同作用下WH600-17I的活性提高幅度更大。
此外,在相同氣化溫度下,與WH600相比,670 ℃時WH600-17I的碳轉化率提高了12.5百分點,而在800 ℃時WH600-17I的碳轉化率提高了25.4百分點。這表明在較高的反應溫度下,Ca(OH)2對熱解半焦的催化性能要優(yōu)于較低溫度時的催化性能。這是因為在反應溫度較高時,熱解半焦表面的Ca(OH)2可分解為高度分散的CaO,增加了熱解半焦表面氣化反應活性位數量,從而提高熱解半焦的氣化反應活性;但反應溫度也不宜過高,過高時會促使熱解半焦表面高度分散的CaO發(fā)生燒結,從而導致催化活性降低[35]。另一方面,相比于WH600,WH600-17I的氣化產品氣中CH4、CO和CO2的產量變化不大,而H2產量提高較多,這主要是因為在反應過程中,熱解半焦表面高度分散的CaO會吸收氣化反應產生的CO2生成CaCO3,在800 ℃時,生成的CaCO3又會快速分解生成CO2并被載氣帶走,從而持續(xù)促進氣化反應的進行,并促使反應向生成H2的方向進行。
在反應溫度800 ℃時,考察了壓力對WH600以及WH600-17I氣化性能的影響,結果見表2。由表2可知,對于WH600,當反應壓力由0.1 MPa升至4 MPa,其碳轉化率僅增加1.6百分點,產品氣中有效氣體產量沒有變化,均為1.76 m3/kg;在較低反應壓力(0.1 MPa)下,相比于WH600,WH600-17I的碳轉化率僅提高2.4百分點,有效氣體產量僅增加0.09 m3/kg。以上結果表明,壓力變化對熱解半焦的氣化性能影響較小,同時低反應壓力下Ca(OH)2對熱解半焦的催化性能也較差。而當高反應壓力(4 MPa)、負載Ca(OH)2這兩個條件同時具備時,熱解半焦的氣化性能顯著提高,碳轉化率提高至77.70%,有效氣體產量也增加至2.47 m3/kg,同時產品氣中H2產量顯著提高,這些都說明提高反應壓力可顯著增強Ca(OH)2對熱解半焦的催化性能。這主要是因為較高的反應壓力可顯著加快半焦表面CaO的碳酸化反應速率,繼而提高氣化反應以及水氣變換反應速率,使得熱解半焦整體氣化反應活性提高,并生成更多的H2。
此外,由表2還可知,對于同一種樣品,隨著反應壓力升高,其氣化產品氣中CH4的產量也相應增加,表明壓力增加有利于氣化過程中CH4的生成。這主要因為熱解半焦氣化過程中伴隨著甲烷化反應(CO+3H2?CH4+H2O)的發(fā)生,由于甲烷化反應為體積縮小的反應,增加壓力有利反應向生成CH4的方向進行。
圖4為反應溫度800 ℃、壓力4 MPa時Ca(OH)2添加量對WH600-nI氣化性能的影響。由圖4可見,WH600的碳轉化率先隨著Ca(OH)2添加量的增加而提高,當Ca(OH)2添加質量分數達到17%時,繼續(xù)提高添加量,WH600的碳轉化率不再提高,反而有所降低,這說明熱解半焦表面Ca(OH)2負載量存在一個飽和值,當負載量達到飽和值后,繼續(xù)添加Ca(OH)2不再起催化作用。Linares-Solano等[36]利用CO2化學吸附對CaO表面位點進行標定,發(fā)現隨著CaO負載量的增加,碳表面CaO的分散性先增加,后趨于平穩(wěn),同時碳的氣化活性隨CaO分散性的增加而增強,這與本實驗結果一致。
圖4 Ca(OH)2添加量對WH600-nI氣化性能的影響Fig.4 Effect of Ca(OH)2 loading amount ongasification reactivity of WH600-nIT=800 ℃; p=4 MPa
圖5為不同Ca(OH)2添加量的WH600-nI樣品氣化反應后顆粒的SEM照片。由圖5可知,氣化反應過程中,熱解半焦表面負載的Ca(OH)2會發(fā)生富集和團聚,并覆蓋在熱解半焦表面。隨著Ca(OH)2添加量的增加,熱解半焦表面覆蓋的團聚顆粒也越多,阻礙了熱解半焦與水蒸氣反應,同時也抑制了氣體產物的擴散,造成熱解半焦氣化活性降低。
在800 ℃、4 MPa下,考察了不同Ca(OH)2添加方式對WH600氣化性能的影響,結果如圖6所示。由圖6(a)可見,相比于WH600,WH600-17D的碳轉化率僅提高2.8百分點,產品氣中有效氣體產量僅增加0.15 m3/kg,說明干混法添加的Ca(OH)2幾乎未起到催化作用,這主要與鈣系化合物在氣化過程中的流動性差有關[37];而WH600-17I的碳轉化率由52.32%提高至77.70%,有效氣體產量也由1.76 m3/kg顯著增至2.47 m3/kg,因此通過浸漬法更能發(fā)揮Ca(OH)2對熱解半焦的催化性能。WH600-17ID相比于WH600-17I碳轉化率又有一定程度的提高,由77.70%提高至84.52%,有效氣體產量由2.47 m3/kg增加至2.76 m3/kg,均高于單獨干混加入時熱解半焦氣化性能的提高。
圖6 Ca(OH)2添加方式對WH600氣化反應性能的影響Fig.6 Effect of Ca(OH)2 adding method on reactivity and gas composition of WH600 gasificationT=800 ℃; p=4 MPa(a) Reactivity; (b) Gas composition
由圖6(b)可知,無論何種添加方式,Ca(OH)2的添加均改變了產品氣的氣體組成,H2體積分數升高,CO體積分數降低,說明Ca(OH)2除了催化熱解半焦氣化外,還促進了水氣變換反應的進行,而產品氣中CO2體積分數降低則說明CO2與Ca(OH)2發(fā)生反應生成了CaCO3。因此向浸漬好的熱解半焦樣品中干混加入Ca(OH)2,通過耦合鈣基碳酸化反應,實現原位分離CO2,不僅可以進一步促進熱解半焦氣化反應的進行,提高碳轉化率,還可以改變產品氣體組成,提高產品氣中H2的含量。
在800 ℃、4 MPa條件下,考察循環(huán)反應次數對WH600-17I氣化反應性能和氣體組成的影響,結果見圖7。
圖7 循環(huán)反應次數對WH600-17I氣化反應性能和氣體組成的影響Fig.7 Effect of number of cycles on reactivity and gas composition of WH600-17IgasificationT=800 ℃; p=4 MPa(a) Reactivity; (b) Gas composition
由圖7可見,隨著循環(huán)反應次數增加,熱解半焦的碳轉化率有所降低,但降低幅度不大,從最開始的77.70%降低至3次循環(huán)反應后的68.53%,有效氣體產量由2.47 m3/kg降至2.27 m3/kg,產品氣組成幾乎無變化。
圖8為WH600-17I循環(huán)反應前后樣品的XRD譜。由圖8(a)可見,與cycle-0樣品相比,添加循環(huán)Ca的樣品中SiO2的衍射峰強度增強,Ca(OH)2和CaCO3的衍射峰略有減弱;對于反應后的樣品(圖8(b)),相比于cycle-0樣品,添加循環(huán)Ca的樣品中所有物質對應峰的強度均減弱。在樣品制備過程中,循環(huán)Ca來自上次反應殘余物焙燒后的灰,除帶入CaO外,還將灰中其他組分一并帶入,灰中惰性組分(SiO2等)覆蓋住熱解半焦及新鮮 Ca(OH)2表面,從而導致樣品中各物質的峰強度減弱,熱解半焦的氣化活性降低。因此,在使用 Ca(OH)2作為催化劑時,催化劑可部分循環(huán)再用,但循環(huán)次數不宜過多。
圖8 WH600-17I循環(huán)反應前后樣品的XRD譜Fig.8 XRD patterns of WH600-17I before and after gasification reaction(1) Cycle-0; (2) Cycle-1; (3) Cycle-2; (4) Cycle-3(a) Before gasification reaction; (b) After gasification reaction
(1)Ca(OH)2能夠顯著提高渭化次煙煤及其熱解半焦的氣化性能,且對低溫熱解半焦的催化性能更好;在反應過程中Ca(OH)2可增強次煙煤的氣化反應以及CO變換反應,并促使反應向生成H2的方向進行;采用紅外光譜法揭示了渭化次煙煤及其熱解半焦負載Ca(OH)2的過程機理,認為鈣是通過較強的靜電作用、氫鍵作用均勻分散到其表面的。
(2)隨反應溫度升高和Ca(OH)2添加量增加,熱解半焦的碳轉化率顯著提高,但熱解半焦表面Ca(OH)2負載量存在一個飽和值,高于該值時會因Ca(OH)2大量覆蓋半焦表面而導致熱解半焦的氣化活性降低;壓力升高對熱解半焦的氣化性能影響不大,但可顯著提高Ca(OH)2的催化氣化性能。
(3)將鈣基碳酸化反應與煤氣化反應耦合,可以提高熱解半焦的碳轉化率及H2產量;增加Ca(OH)2的循環(huán)反應次數,Ca(OH)2的催化效果變化不大,但會因煤中灰分的帶入導致熱解半焦反應活性略有降低。