雙熱源煤新型氣化機理研究

第29卷第3期西安科技大學(xué)學(xué)報Vol.29 No.32009年5月JOURNAL OF XI'AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOCYMay. 2009文章編號: 1672 -9315(2009)03 -0352 -06雙熱源煤新型氣化機理研究田玉仙' ,王曉剛”,張亞平'，吳敏煥',王喜蓮' ,強軍鋒' ,田欣偉'(1.西安科技大學(xué)理學(xué)院.陜西西安710054; 2.西安科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,陜西西安710054)商要:以煤和石英砂為原料,在自制雙熱源煤新型氣化爐上實(shí)現了煤炭新型氣化,測試了氣化產(chǎn)物,從氣化原料的高溫結構相變和氣化反應過(guò)程熱力學(xué)分析出發(fā)，研究了煤新型氣化機理。結果表明:雙熱源煤新型氣化的產(chǎn)物除了富含CO的煤氣外,還包括大量SiC副產(chǎn)品，其晶相以3C -SiC(77. 99%)和6H - SiC(19. 28%)為主,煤氣中可燃氣體濃度為86. 9% ~90. 5%,產(chǎn)率5.0 m'/h;氣化爐內不同溫區,煤氣產(chǎn)生原理不同,0~1 400C溫區,煤氣主要來(lái)源于原料干燥和煤熱解反應,1 400-2600 C溫區,煤氣主要來(lái)源于多孔焦碳與SiO2u), SiOze及中間產(chǎn)物Si0。的電熱還原反應,同時(shí)伴生副產(chǎn)品SiC;各氣化反應階段所產(chǎn)煤氣總量為該時(shí)刻所有溫區所產(chǎn)煤氣總和。關(guān)鍵詞:煤炭氣化;反應機理;多熱源;氣化爐;碳化硅中圖分類(lèi)號: TQ 53文獻標志碼: A中國是一個(gè)煤資源較為豐富的國家,煤的年產(chǎn)量在10億t以上,在一次能源消費中占72%左右,其中大部分是直接燃燒用于電力工業(yè)和運輸行業(yè),不僅能源利用率低下,而且會(huì )釋放大量SO2,CO2,煙塵和NO,,嚴重污染環(huán)境。以“ 煤氣化為基礎的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)”,是實(shí)現煤炭潔凈高效開(kāi)發(fā)與利用的途徑"。然而,我國煤氣化比重較低,且整體氣化技術(shù)比較落后。開(kāi)發(fā)新的煤炭氣化方法,盡快形成有自主知識產(chǎn)權的煤氣化技術(shù)迫在眉睫。課題組在多年從事煤炭潔凈轉化研究中,以煤、石英砂、電為基礎資源,在自行發(fā)明的雙熱源煤新型氣化爐上實(shí)現了煤的氣化,并得到了四高SiC副產(chǎn)品23。文中用雙熱源煤新型氣化法將陜北低變質(zhì)煙煤變成了富含Co煤氣,并結合原料的高溫結構相變,從爐內氣化反應過(guò)程熱力學(xué)出發(fā)，研究了氣化機理。1實(shí)驗表1煤質(zhì)分析Tab.1 Technical analysis of bituminous%工業(yè)分析/%(u)，元素分析/% (w,du)MatAaF.CNS9.793.9153.424.6714.030.99實(shí)驗采用自行發(fā)明的雙熱源煤新型氣化爐(圖1) ,爐膛體積740 mm x560 mmx1 140 mm,裝料量約300 kg.雙石墨矩形爐芯,尺寸為40 mm x40 mm x60 mm,供電功率30~35 kW，集氣裝置為自制高分子復合材料集氣罩,送電前集氣罩頂部距爐表580mm.實(shí)驗原料有石英砂和陜北低變質(zhì)煙煤。石英砂純度99% ,粒度0~5 mm,煤粒度0~4 mm,煤質(zhì)分析見(jiàn)表1。按碳硅比0.67配料后,球磨混合120 min直接裝爐氣化。煤氣由排氣管引出后直接燒掉。定時(shí)采集煤氣,用QF - 1904奧氏氣體分析器、玻璃轉子流量計收稿日期: 2008-10-20基金項目:國家自然科學(xué)基金項日(50174046)作者簡(jiǎn)介:田玉仙( 1970- ).女，重慶市人,副教授,博士生,主要從事礦物加工利用研究.第3期田玉仙等:雙熱源煤新型氣化機理研究353分別對氣體組分和氣流量進(jìn)行分析,用“U型"壓力計在線(xiàn)監集氣罩防護網(wǎng)測爐壓,使之始終處于微正壓狀態(tài),用D/max-2400型X射]熱電網(wǎng)線(xiàn)行射儀測定副產(chǎn)品SiC晶相,用掃描電鏡觀(guān)察SsiC的形貌。流量計2結果與分析圖1 實(shí)驗裝置2.1雙熱源煤新型氣化產(chǎn)物Fig. 1 Experimental apparatus表2煙煤全新料氣化后煤氣成分Tab.2 Gas composition of new bituminous material時(shí)間/hCO2 + NH,02_CHCHV236.81.661.223.26.1.07.00.827.63.87.60.5s0.430.83.100.747.58.4.178ε74E \一全新料+全新料]70E一-焙燒料熔燒料」9.S+全新料:培燒料; 66i 62Ee 58包7.5s4soE46253456789101213823456789101112132345678910111213時(shí)間ha)(bc)圖2焙燒原料對煤氣有 效成分影響Fig.2 The ffet of roasting material on gas composition(a)CO (b) C0+H2 (c) CO+H2 +CH,雙熱源煤新型氣化產(chǎn)物有2種:主產(chǎn)品煤氣和副產(chǎn)品SiC.從表2可知,低變質(zhì)煙煤全新料氣化后所得煤氣主要由CO組成,還含有一定量的H2,CH。以及微量的CO2,N2,02，。455爐樂(lè )NH,.全新料氣化,整個(gè)氣化反應期間CO濃度介于47.5% ~61.2% ,H2的濃度介于23.2% ~31. 3% , CH.的濃度介于6.中3.0E果25F1% ~8. 1% ,化工原料氣(CO + H2)的濃度介于78.8% ~ 84.4%,可燃性氣體濃度介于86. 9% ~ 90. 5%。而采用焙燒料(原料先在1 000C下焙燒后再氣化)氣化(圖2),煤氣基本成05105205分不變,但其co濃度比全新料法高，H2的濃度略有下降,煤圖3 35 kW氣化爐煤氣產(chǎn)率氣有效組分濃度增加?？梢?jiàn)氣化工藝對煤氣有效組成有較大Fig3 Gas flux of 35 kW coal gasifier影響。圖3為微正壓下(平均爐壓3.2 kPa)實(shí)測煤氣流量。從圖3可看出，恒功率送電,氣流量在很短時(shí)間內迅速升至穩定值,反應中期變化較小，整個(gè)氣化過(guò)程中煤氣平均產(chǎn)率為5.0 m'/h,且煤氣產(chǎn)率有一-定的穩定性。如果氣化時(shí)采用“循環(huán)”生產(chǎn)模式,即至少4臺氣化爐同時(shí)協(xié)調工作,裝料、氣化、冷卻和拆爐過(guò)程在爐組內4臺氣化爐上循環(huán)進(jìn)行,即可實(shí)現煤氣的連續生產(chǎn)。拆爐后發(fā)現爐芯外圍有一-近似橢圓的結晶簡(jiǎn)。用肉眼看,結晶筒中心是黑色疏松狀石墨，為爐芯材354西安科技大學(xué)學(xué)報2009年料,從爐芯邊緣到結晶筒外圍,顏色由黑亮逐漸向灰黑、灰色4 000，26H-IC4H-S5C3C-5C過(guò)度,分層明顯,越靠近爐芯,產(chǎn)物越致密。距爐芯邊緣2~33 000SiO,口cm處取樣作XRD分析,結果見(jiàn)圖4。從圖4可以看出，氣化副產(chǎn)物為SiC,含量為98.37%,其2000中3C -SiC占77. 99%,6H-SiC占19. 28%,4H -SiC占10001.1% ,Si02占0. 93%,雜質(zhì)、非晶相和未檢出物質(zhì)占0.7%。爐芯周?chē)a(chǎn)品晶型以3C為主，說(shuō)明此處溫度不太高。肉眼觀(guān)10203040506070 80察所生成SiC晶體顏色黑亮，但顆粒尺寸均小于1 mm,從SEM圖4副產(chǎn)品的XRD諧照片(圖5)可以看出,氣化時(shí)間為15 h時(shí),低變質(zhì)煙煤氣化副Fig.4 XRD of byproduct產(chǎn)品SiC為半自形與板狀混合結晶,其中半自形結晶占多數,結晶較致密;而25 h氣化副產(chǎn)品siC多為六方板狀結晶,晶面晶棱不但規則，而且清晰可見(jiàn),由一些片狀相同的網(wǎng)面平行排列，形成密排的堆垛狀SiC板,其中還有部分沿不同方向堆砌,形成塊狀和粒狀的多晶聚合體，結構較疏松。2.2雙熱 源煤新型氣化機理探討圖5副產(chǎn)品的 SEM照片氣化爐爐體狹長(cháng)，爐長(cháng)方向情況基本相同,熱量傳遞Fig. 5 SEM of byproduct(a)15h (b)25h主要是在垂直于爐長(cháng)方向的平面內進(jìn)行。從圖1可以看出爐芯周?chē)汉褪⑸爸苯咏佑|,爐芯通電發(fā)熱產(chǎn)生的熱敏會(huì )通過(guò)原料由近及遠地傳輸;同時(shí),氣化爐內有氣態(tài)物質(zhì)存在,隨氣化反應進(jìn)行,爐壓增大,高溫氣體通過(guò)物料間隙向集氣空間擴散,與爐芯外圍低T<200CT-700C200C