煤焦气化反应对煤炭地下气化的影响性研究

梁新星 梁杰 沈芳

摘 要:在煤炭地下气化过程中,煤焦气化反应直接影响着地下煤气的组成和质量,通过对地下气化典型煤样大雁褐煤、协庄烟煤、昔阳无烟煤在热天平装置上进行不同热解终温、不同热解气氛的煤焦气化反应实验,利用热失重分析法研究了不同煤焦的气化反应特性。通过实验表明:不同煤质、不同煤焦制备温度、不同反应气氛对煤焦气化反应活性有着重要的影响。

关键词:煤炭地下气化煤焦气化反应

中图分类号:TD82 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)05(b)-0009-02

煤炭地下气化就是将处于地下的煤炭直接进行有控制地燃烧,通过对煤的热作用及化学作用产生可燃气体的过程。该过程集建井、采煤、地面气化三大工艺为一体,把煤的开采和转化相结合,变传统的物理采煤为化学采煤,省去了庞大的煤炭开采、运输、洗选、气化等工艺的设备,因而具有安全性好、投资少、效益高、污染少等优点,深受世界各国的重视,被誉为第二代采煤方法。

从目前我国地下气化发展的现状看, 还存在着较为普遍的技术问题,如煤气产量和质量不稳定,缺乏对地下气化过程的有效检测和控制手段等。煤炭地下气化过程中,煤的转化要经过干燥、热解以及煤焦气化三个阶段,其中煤焦气化反应直接关系着煤炭地下气化产品煤气的组成和质量。

本文主要是对选取的正在进行或者已经进行的煤炭地下气化三种煤样即大雁褐煤、昔阳无烟煤和协庄烟煤半焦在热天平装置上进行了不同热解终温、不同热解气氛的煤焦气化反应实验,利用热失重分析法研究了不同煤焦的气化反应特性,以期为地下气化工艺操作参数的优化和改进提供必要的理论指导。

1 实验部分

1.1 实验装置与流程

本实验所用的热天平是由华东理工大学研制的,整体实验装置系统由称重单元、信号采集及处理单元、压力调节和气体流量控制单元,温度控制单元,反应器单元等五大部分组成。

1.2 内外扩散的消除

煤焦粒度的比较实验结果表明:当粒度大于40目时,随粒度的变小,反应速率有一定的提高,当粒度小于80目时,粒度的变化对反应速率的影响不再显著。这一结果说明:选择40目～80目的粒度进行实验已能排除固体颗粒内扩散的影响,故本实验煤焦采用40目～80目的颗粒粒度。气体流速的比较实验结果表明,在低流速范围内,流速增加使在同一时间内的转化率提高,当达到一定流速后,流速对反应速率的影响变的不显著,说明已消除了外扩散的影响。

实验在常压下进行,二氧化碳的流量选定40L/h,水蒸气流量为240g/h,每次实验煤焦量为0.5g左右,粒度为40目～80目。气体流速的比较实验结果表明,在低流速范围内,流速增加使在同一时间内的转化率提高,当达到一定流速后,流速对反应速率的

影响变的不显著,说明已消除了外扩散的影响。实验在常压下进行,二氧化碳的流量选定40L/h,水蒸气流量为240g/h,每次实验煤焦量为0.5g左右,粒度为40目～80目。

1.3 实验方法

用于实验的热解半焦样品预先放在恒温105℃的干燥箱内,以排除样品因吸附水分而引起的实验误差。进行热天平实验时,反应器预先升温至预定温度,后称取干燥样品约0.5g装入白金样品吊篮中,将样品吊篮悬挂在白金链条的底端,此时链条被步进电提升至高位处,重量传感器不受力,通入保护气N2,封闭系统。随后打开反应气体阀,调节到合适流量。在反应气体通入10min以后,对系统排出气体进行分析,确保检测不到氧气并且反应器被反应气体完全置换后,启动机械控制系统,将样品吊篮放下至反应器恒温区,实验开始,样品失重变化由传感器送数据采集系统。随着实验的进行,样品吊篮重量逐步下降,当样品吊篮重量恒重时,认为反应结束,停止实验。实验停止后,提起样品吊篮,通N2对系统内残留反应气进行置换,打开法兰盖,取出样品吊篮称重,并记录篮中残留样品重量,经数据处理可求出样品重量及气体产率随时间的变化曲线。

2 实验结果与讨论

2.1 煤质对煤焦反应性的影响

图1-2分别为3种煤焦CO2、H2O反应性对比曲线,煤焦为900℃、N2气氛条件下制备的,气化反应温度为1050℃。

由图1-2明显看出,大雁煤的反应活性要远高于协庄和昔阳煤,而昔阳煤焦的反应活性最差。(如图1图2)

煤质对煤焦反应性的影响因素是非常复杂的,随煤变质程度增高,煤内部碳基质有序度增加,碳微晶尺寸增大,煤焦表面的活性位数减少,因而煤焦的反应性下降;另一方面,随煤变质程度增高,与煤焦的反应性有密切关系的煤的比表面积、孔隙率和孔结构变化出现了两头高、中间低的“凹”形分布,这使煤焦反应性随煤阶变化的规律更加复杂,其它影响因素如煤的岩相组成、煤中的矿物质含量及组成的无规律性也增加了这一问题的认知难度。

2.2 煤焦制备温度对煤焦反应性的影响

图3-4为协庄煤样不同温度制备煤焦的CO2、H2O气氛反应性对比曲线。大雁和昔阳煤样得到了同样的结论。(如图3图4)

从图3-4中可以看出,随着煤焦制备热解温度的提高,半焦的气化反应性下降。这是因为,热解温度提高使煤焦的比表面和孔结构,以及内部石墨微晶子的晶格结构特征发生了重大的变化,这一变化的影响结果是导致了煤焦反应活性降低。另外,热解温度低的煤焦挥发分含量高于热解温度高的煤焦,在1000℃高温与水蒸气或CO2反应时,残留的挥发分首先要进一步脱除掉,然后发生残碳的气化反应,因此实验一开始重量减少得很快,表现出来总体的反应速度要比热解温度高的煤焦反应速度快。

2.3 反应气氛对煤焦反应性的影响

大雁煤焦1000℃下CO2、H2O气氛反应性对比曲线,煤焦为900℃、N2气氛半焦,协庄和昔阳煤焦经实验证明其结论也与大雁煤焦相同。从中可以看出,煤焦-H2O系统反应速率要大于煤焦-CO2反应系统。这与碳与水蒸气及碳与二氧化碳反应方程式的活化能大小或反应焓大小有关,碳与水蒸气和碳与二氧化碳反应的活化能分别为119kJ/mol、162kJ/mol,所以要达到相同的碳转化率,煤焦-CO2系统比煤焦-H2O系统反应要多吸收43kJ/mol的热量,因此在相同的反应条件下,煤焦-CO2反应速率要比煤焦-H2O反应速率小。

3 结语

通过实验,得到以下结论:

(1)煤焦反应活性一般随煤变质程度增加而降低,实验也证明三种煤焦的反映活性顺序为:大雁褐煤焦>协庄烟煤焦>昔阳无烟煤焦。因此,大雁褐煤最适宜煤炭地下气化。

(2)随煤焦制备温度提高,煤焦的气化反应活性降低。气化温度提高,煤焦的气化反应活性增加。所以,在煤炭地下气化过程中,干馏区的温度不能太高,而气化还原区则要保持高温。

(3)H2O气化气氛下煤焦反应活性高于CO2气氛下煤焦反应活性。所以煤炭地下气化的适宜气化方式为氧气-水蒸气连续气化。

参考文献

[1] 李耀娟,田玉璋,于在平.煤炭地下气化［M］.东北工学院,22-25.

[2] 杜锋,梁杰.煤炭地下气化技术[J].陕西煤炭,2003

[3] 梁杰.煤炭地下气化过程稳定性及控制技术［M］.中国矿业大学出版社,2002.