粒徑對(duì)CO2-煤焦氣化反應(yīng)速率的影響研究

葉詩(shī)瑛

（合肥熱電集團(tuán)有限公司 安徽合肥 230001）

引言

煤粒徑的大小對(duì)CO2在煤焦表面的傳質(zhì)影響甚遠(yuǎn)；顆粒越大，對(duì)CO2與煤焦之間的傳質(zhì)阻力就更大，進(jìn)而影響焦-CO2的氣化反應(yīng)速率[1，2]。同時(shí)，在相同的溫度下，不同粒徑的煤熱解后所得到的焦炭顆粒的孔隙度也有很大差異[3]。因此，本文研究了粒徑對(duì)焦-CO2氣化反應(yīng)的影響，并采用隨機(jī)孔模型對(duì)焦-CO2氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究。

1 實(shí)驗(yàn)原料

煤樣的元素分析及工業(yè)分析如表1所示。

表1 煤的工業(yè)分析和元素分析

2 實(shí)驗(yàn)方法

氣化實(shí)驗(yàn)熱重分析儀中進(jìn)行，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：取10±0.5 mg樣品至于托盤(pán)中，在N2環(huán)境中以10℃/min的升溫速率將樣品加熱至設(shè)定溫度，保持10min，將N2切換為CO2，開(kāi)始焦氣化實(shí)驗(yàn)，保溫120min。其中，CO2和N2的流量均為50ml/min。

煤焦氣化的轉(zhuǎn)化率計(jì)算公式如下：

式中，m0、mt、mash分別代表樣品的初始質(zhì)量、反應(yīng)時(shí)間為t時(shí)的質(zhì)量和灰分的質(zhì)量。氣化反應(yīng)速率計(jì)算公式如下：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

不同溫度下不同粒徑樣品氣化時(shí)碳轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化，如圖1所示。由圖可知，在相同溫度下，煤焦顆粒越小越有利于焦-CO2氣化反應(yīng)的進(jìn)行，如900℃氣化反應(yīng)時(shí)間40min時(shí)，顆粒大小為400目的煤焦已經(jīng)完全反應(yīng)，300目μm的煤焦轉(zhuǎn)化了～70%，而200目的煤焦僅轉(zhuǎn)化了～30%，100目煤焦轉(zhuǎn)化了～50%；由此說(shuō)明煤的顆粒大小對(duì)熱解后焦的形成及焦-CO2氣化反應(yīng)有較大的影響。

圖1 焦-CO2氣化反應(yīng)碳轉(zhuǎn)化率與時(shí)間的關(guān)系

Random pore model是由 Bhatia and Perlmutter[4]和 Gavalas[5]提出的用于描述焦氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與顆?？捉Y(jié)構(gòu)之間關(guān)系的動(dòng)力學(xué)模型。由于這個(gè)動(dòng)力學(xué)模型能很好的描述氣化過(guò)程中顆?？捉Y(jié)構(gòu)的變化，從而得到廣泛的應(yīng)用[4]。

式中，k為反應(yīng)速率常數(shù)，ψ為焦炭的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

采用隨機(jī)孔模型對(duì)不同粒徑下的焦-CO2氣化反應(yīng)進(jìn)行描述。動(dòng)力學(xué)計(jì)算模擬如圖2所示，動(dòng)力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖2 隨機(jī)孔模型擬合煤焦-CO2氣化反應(yīng)圖

由圖2可知煤焦-CO2氣化反應(yīng)函數(shù)擬合中，有一些隨機(jī)孔模型的函數(shù)曲線基本是一條直線。結(jié)合表2可知，隨機(jī)孔模型的函數(shù)擬合結(jié)果是直線，這主要是因?yàn)殡S機(jī)孔模型中的煤焦結(jié)構(gòu)參數(shù)ψ即為負(fù)值；由公式ψ的計(jì)算可知，ψ值定為一個(gè)正數(shù)。超越了邊界值，公式中的（根號(hào)下面的那個(gè)公式）變?yōu)?，此時(shí)，隨機(jī)空模型變?yōu)榫喾磻?yīng)模型。高灰分對(duì)氣化過(guò)程煤焦的孔結(jié)構(gòu)演變影響很大，導(dǎo)致過(guò)程中煤焦孔結(jié)構(gòu)變化不遵循隨機(jī)孔模型的規(guī)律。

表2 隨機(jī)孔模型擬合煤焦-CO2氣化反應(yīng)參數(shù)

結(jié)語(yǔ)

本文討論了隨機(jī)孔模型描述了不同粒徑煤焦下與CO2的氣化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)孔模型模擬計(jì)算中煤焦結(jié)構(gòu)參數(shù)為0，說(shuō)明隨機(jī)孔模型不能很好的用于高灰分含量煤焦氣化動(dòng)力學(xué)的計(jì)算。