煤焦氣化反應對煤炭地下氣化的影響性研究

梁新星 梁杰 沈芳

摘 要:在煤炭地下氣化過程中,煤焦氣化反應直接影響著地下煤氣的組成和質量,通過對地下氣化典型煤樣大雁褐煤、協莊煙煤、昔陽無煙煤在熱天平裝置上進行不同熱解終溫、不同熱解氣氛的煤焦氣化反應實驗,利用熱失重分析法研究了不同煤焦的氣化反應特性。通過實驗表明:不同煤質、不同煤焦制備溫度、不同反應氣氛對煤焦氣化反應活性有著重要的影響。

關鍵詞:煤炭地下氣化煤焦氣化反應

中圖分類號:TD82 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)05(b)-0009-02

煤炭地下氣化就是將處于地下的煤炭直接進行有控制地燃燒,通過對煤的熱作用及化學作用產生可燃氣體的過程。該過程集建井、采煤、地面氣化三大工藝為一體,把煤的開采和轉化相結合,變傳統的物理采煤為化學采煤,省去了龐大的煤炭開采、運輸、洗選、氣化等工藝的設備,因而具有安全性好、投資少、效益高、污染少等優點,深受世界各國的重視,被譽為第二代采煤方法。

從目前我國地下氣化發展的現狀看, 還存在著較為普遍的技術問題,如煤氣產量和質量不穩定,缺乏對地下氣化過程的有效檢測和控制手段等。煤炭地下氣化過程中,煤的轉化要經過干燥、熱解以及煤焦氣化三個階段,其中煤焦氣化反應直接關系著煤炭地下氣化產品煤氣的組成和質量。

本文主要是對選取的正在進行或者已經進行的煤炭地下氣化三種煤樣即大雁褐煤、昔陽無煙煤和協莊煙煤半焦在熱天平裝置上進行了不同熱解終溫、不同熱解氣氛的煤焦氣化反應實驗,利用熱失重分析法研究了不同煤焦的氣化反應特性,以期為地下氣化工藝操作參數的優化和改進提供必要的理論指導。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置與流程

本實驗所用的熱天平是由華東理工大學研制的,整體實驗裝置系統由稱重單元、信號采集及處理單元、壓力調節和氣體流量控制單元,溫度控制單元,反應器單元等五大部分組成。

1.2 內外擴散的消除

煤焦粒度的比較實驗結果表明:當粒度大于40目時,隨粒度的變小,反應速率有一定的提高,當粒度小于80目時,粒度的變化對反應速率的影響不再顯著。這一結果說明:選擇40目～80目的粒度進行實驗已能排除固體顆粒內擴散的影響,故本實驗煤焦采用40目～80目的顆粒粒度。氣體流速的比較實驗結果表明,在低流速范圍內,流速增加使在同一時間內的轉化率提高,當達到一定流速后,流速對反應速率的影響變的不顯著,說明已消除了外擴散的影響。

實驗在常壓下進行,二氧化碳的流量選定40L/h,水蒸氣流量為240g/h,每次實驗煤焦量為0.5g左右,粒度為40目～80目。氣體流速的比較實驗結果表明,在低流速范圍內,流速增加使在同一時間內的轉化率提高,當達到一定流速后,流速對反應速率的

影響變的不顯著,說明已消除了外擴散的影響。實驗在常壓下進行,二氧化碳的流量選定40L/h,水蒸氣流量為240g/h,每次實驗煤焦量為0.5g左右,粒度為40目～80目。

1.3 實驗方法

用于實驗的熱解半焦樣品預先放在恒溫105℃的干燥箱內,以排除樣品因吸附水分而引起的實驗誤差。進行熱天平實驗時,反應器預先升溫至預定溫度,后稱取干燥樣品約0.5g裝入白金樣品吊籃中,將樣品吊籃懸掛在白金鏈條的底端,此時鏈條被步進電提升至高位處,重量傳感器不受力,通入保護氣N2,封閉系統。隨后打開反應氣體閥,調節到合適流量。在反應氣體通入10min以后,對系統排出氣體進行分析,確保檢測不到氧氣并且反應器被反應氣體完全置換后,啟動機械控制系統,將樣品吊籃放下至反應器恒溫區,實驗開始,樣品失重變化由傳感器送數據采集系統。隨著實驗的進行,樣品吊籃重量逐步下降,當樣品吊籃重量恒重時,認為反應結束,停止實驗。實驗停止后,提起樣品吊籃,通N2對系統內殘留反應氣進行置換,打開法蘭蓋,取出樣品吊籃稱重,并記錄籃中殘留樣品重量,經數據處理可求出樣品重量及氣體產率隨時間的變化曲線。

2 實驗結果與討論

2.1 煤質對煤焦反應性的影響

圖1-2分別為3種煤焦CO2、H2O反應性對比曲線,煤焦為900℃、N2氣氛條件下制備的,氣化反應溫度為1050℃。

由圖1-2明顯看出,大雁煤的反應活性要遠高于協莊和昔陽煤,而昔陽煤焦的反應活性最差。(如圖1圖2)

煤質對煤焦反應性的影響因素是非常復雜的,隨煤變質程度增高,煤內部碳基質有序度增加,碳微晶尺寸增大,煤焦表面的活性位數減少,因而煤焦的反應性下降;另一方面,隨煤變質程度增高,與煤焦的反應性有密切關系的煤的比表面積、孔隙率和孔結構變化出現了兩頭高、中間低的“凹”形分布,這使煤焦反應性隨煤階變化的規律更加復雜,其它影響因素如煤的巖相組成、煤中的礦物質含量及組成的無規律性也增加了這一問題的認知難度。

2.2 煤焦制備溫度對煤焦反應性的影響

圖3-4為協莊煤樣不同溫度制備煤焦的CO2、H2O氣氛反應性對比曲線。大雁和昔陽煤樣得到了同樣的結論。(如圖3圖4)

從圖3-4中可以看出,隨著煤焦制備熱解溫度的提高,半焦的氣化反應性下降。這是因為,熱解溫度提高使煤焦的比表面和孔結構,以及內部石墨微晶子的晶格結構特征發生了重大的變化,這一變化的影響結果是導致了煤焦反應活性降低。另外,熱解溫度低的煤焦揮發分含量高于熱解溫度高的煤焦,在1000℃高溫與水蒸氣或CO2反應時,殘留的揮發分首先要進一步脫除掉,然后發生殘碳的氣化反應,因此實驗一開始重量減少得很快,表現出來總體的反應速度要比熱解溫度高的煤焦反應速度快。

2.3 反應氣氛對煤焦反應性的影響

大雁煤焦1000℃下CO2、H2O氣氛反應性對比曲線,煤焦為900℃、N2氣氛半焦,協莊和昔陽煤焦經實驗證明其結論也與大雁煤焦相同。從中可以看出,煤焦-H2O系統反應速率要大于煤焦-CO2反應系統。這與碳與水蒸氣及碳與二氧化碳反應方程式的活化能大小或反應焓大小有關,碳與水蒸氣和碳與二氧化碳反應的活化能分別為119kJ/mol、162kJ/mol,所以要達到相同的碳轉化率,煤焦-CO2系統比煤焦-H2O系統反應要多吸收43kJ/mol的熱量,因此在相同的反應條件下,煤焦-CO2反應速率要比煤焦-H2O反應速率小。

3 結語

通過實驗,得到以下結論:

(1)煤焦反應活性一般隨煤變質程度增加而降低,實驗也證明三種煤焦的反映活性順序為:大雁褐煤焦>協莊煙煤焦>昔陽無煙煤焦。因此,大雁褐煤最適宜煤炭地下氣化。

(2)隨煤焦制備溫度提高,煤焦的氣化反應活性降低。氣化溫度提高,煤焦的氣化反應活性增加。所以,在煤炭地下氣化過程中,干餾區的溫度不能太高,而氣化還原區則要保持高溫。

(3)H2O氣化氣氛下煤焦反應活性高于CO2氣氛下煤焦反應活性。所以煤炭地下氣化的適宜氣化方式為氧氣-水蒸氣連續氣化。

參考文獻

[1] 李耀娟,田玉璋,于在平.煤炭地下氣化［M］.東北工學院,22-25.

[2] 杜鋒,梁杰.煤炭地下氣化技術[J].陜西煤炭,2003

[3] 梁杰.煤炭地下氣化過程穩定性及控制技術［M］.中國礦業大學出版社,2002.