煤焦氣化反應(yīng)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(yīng)直接影響著地下煤氣的組成和質(zhì)量,通過對地下氣化典型煤樣大雁褐煤、協(xié)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(yīng)實驗,利用熱失重分析法研究了不同煤焦的氣化反應(yīng)特性。通過實驗表明:不同煤質(zhì)、不同煤焦制備溫度、不同反應(yīng)氣氛對煤焦氣化反應(yīng)活性有著重要的影響。

關(guān)鍵詞:煤炭地下氣化煤焦氣化反應(yīng)

中圖分類號:TD82 文獻標(biāo)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(xué)作用產(chǎn)生可燃?xì)怏w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(zhuǎn)化相結(jié)合,變傳統(tǒng)的物理采煤為化學(xué)采煤,省去了龐大的煤炭開采、運輸、洗選、氣化等工藝的設(shè)備,因而具有安全性好、投資少、效益高、污染少等優(yōu)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(fā)展的現(xiàn)狀看, 還存在著較為普遍的技術(shù)問題,如煤氣產(chǎn)量和質(zhì)量不穩(wěn)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(zhuǎn)化要經(jīng)過干燥、熱解以及煤焦氣化三個階段,其中煤焦氣化反應(yīng)直接關(guān)系著煤炭地下氣化產(chǎn)品煤氣的組成和質(zhì)量。

本文主要是對選取的正在進行或者已經(jīng)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(xié)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(yīng)實驗,利用熱失重分析法研究了不同煤焦的氣化反應(yīng)特性,以期為地下氣化工藝操作參數(shù)的優(yōu)化和改進提供必要的理論指導(dǎo)。

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(xué)研制的,整體實驗裝置系統(tǒng)由稱重單元、信號采集及處理單元、壓力調(diào)節(jié)和氣體流量控制單元,溫度控制單元,反應(yīng)器單元等五大部分組成。

1.2 內(nèi)外擴散的消除

煤焦粒度的比較實驗結(jié)果表明:當(dāng)粒度大于40目時,隨粒度的變小,反應(yīng)速率有一定的提高,當(dāng)粒度小于80目時,粒度的變化對反應(yīng)速率的影響不再顯著。這一結(jié)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(nèi)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(jié)果表明,在低流速范圍內(nèi),流速增加使在同一時間內(nèi)的轉(zhuǎn)化率提高,當(dāng)達(dá)到一定流速后,流速對反應(yīng)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(jié)果表明,在低流速范圍內(nèi),流速增加使在同一時間內(nèi)的轉(zhuǎn)化率提高,當(dāng)達(dá)到一定流速后,流速對反應(yīng)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(yù)先放在恒溫105℃的干燥箱內(nèi),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(yīng)器預(yù)先升溫至預(yù)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(tǒng)。隨后打開反應(yīng)氣體閥,調(diào)節(jié)到合適流量。在反應(yīng)氣體通入10min以后,對系統(tǒng)排出氣體進行分析,確保檢測不到氧氣并且反應(yīng)器被反應(yīng)氣體完全置換后,啟動機械控制系統(tǒng),將樣品吊籃放下至反應(yīng)器恒溫區(qū),實驗開始,樣品失重變化由傳感器送數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。隨著實驗的進行,樣品吊籃重量逐步下降,當(dāng)樣品吊籃重量恒重時,認(rèn)為反應(yīng)結(jié)束,停止實驗。實驗停止后,提起樣品吊籃,通N2對系統(tǒng)內(nèi)殘留反應(yīng)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(jīng)數(shù)據(jù)處理可求出樣品重量及氣體產(chǎn)率隨時間的變化曲線。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 煤質(zhì)對煤焦反應(yīng)性的影響

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

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

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

2.2 煤焦制備溫度對煤焦反應(yīng)性的影響

圖3-4為協(xié)莊煤樣不同溫度制備煤焦的CO2、H2O氣氛反應(yīng)性對比曲線。大雁和昔陽煤樣得到了同樣的結(jié)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(yīng)性下降。這是因為,熱解溫度提高使煤焦的比表面和孔結(jié)構(gòu),以及內(nèi)部石墨微晶子的晶格結(jié)構(gòu)特征發(fā)生了重大的變化,這一變化的影響結(jié)果是導(dǎo)致了煤焦反應(yīng)活性降低。另外,熱解溫度低的煤焦揮發(fā)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(yīng)時,殘留的揮發(fā)分首先要進一步脫除掉,然后發(fā)生殘?zhí)嫉臍饣磻?yīng),因此實驗一開始重量減少得很快,表現(xiàn)出來總體的反應(yīng)速度要比熱解溫度高的煤焦反應(yīng)速度快。

2.3 反應(yīng)氣氛對煤焦反應(yīng)性的影響

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

3 結(jié)語

通過實驗,得到以下結(jié)論:

(1)煤焦反應(yīng)活性一般隨煤變質(zhì)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(xié)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(yīng)活性降低。氣化溫度提高,煤焦的氣化反應(yīng)活性增加。所以,在煤炭地下氣化過程中,干餾區(qū)的溫度不能太高,而氣化還原區(qū)則要保持高溫。

(3)H2O氣化氣氛下煤焦反應(yīng)活性高于CO2氣氛下煤焦反應(yīng)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(xù)氣化。

參考文獻

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[2] 杜鋒,梁杰.煤炭地下氣化技術(shù)[J].陜西煤炭,2003

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