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 45 A JOURNAL OF XI' AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYMay. 200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2,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)摘要: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5.0m3/h;氣化爐內不同溫區,煤氣產(chǎn)生原理不同,0~1400℃溫區,煤氣主要來(lái)源于原料干燥和煤熱解反應,1400-2600℃溫區,煤氣主要來(lái)源于多孔焦碳與SiO2a,S0O2s及中間產(chǎn)物Si0s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:TQ53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)與利用的途徑口。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。實(shí)驗表1煤質(zhì)分析Tab 1 Technical analysis of bituminous業(yè)分析/%(F C14.03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740mmx560mmx1140mm,裝料量約300kg,雙石墨矩形爐芯,尺寸為40mm×40mmx60mm,供電功率30~35kW,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0~5mm,煤粒度0~4mm,煤質(zhì)分析見(jiàn)表1。按碳硅比067配料后球磨混合120mn直接裝爐氣化。煤氣由排氣管引出后直接燒掉。定時(shí)釆集煤氣,用中國煤化工璃轉子流量計CNMHG收稿日期:2008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)監測爐壓,使之始終處于微正壓狀態(tài),用D/max-2400型X射線(xiàn)衍射儀測定副產(chǎn)品SC晶相,用掃描電鏡觀(guān)察SC的形貌。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Tab2 Gas composition of new bituminous material時(shí)間/hCO,+ NH3Hz53,90.530.80.731.3一全新料培燒料焙燒料會(huì )新料12132345678910111213時(shí)間/h時(shí)間/h圖2焙燒原料對煤氣有效成分影響Fig. 2 The effect of roasting material on gas compositio(a)co(b)CO+H2(c)CO+H,+CH4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,CH4以及微量的CO2,N2,O2NH3全新料氣化,整個(gè)氣化反應期間CO濃度介于475%E3.5612%,H2的濃度介于23.2%~31.3%,CH4的濃度介于61%6-8.1%,化工原料氣(CO0+H1)的濃度介于788%~81.24%,可燃性氣體濃度介于86.9%-90.5%。而采用焙燒料(原料先在1000℃下焙燒后再氣化)氣化(圖2),煤氣基本成時(shí)間h分不變,但其CO濃度比全新料法高,H2的濃度略有下降,煤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圖335kW氣化爐煤氣產(chǎn)率Fig 3 Gas flux of 35 kW coal gasifier影響。圖3為微正壓下(平均爐壓32kPa)實(shí)測煤氣流量。中國煤化工流量在很短時(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YHa氣產(chǎn)率有一定的CNMHG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)拆妒后發(fā)現爐芯外圍有一近似橢圓的結晶筒。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40a6H-SC過(guò)度,分層明顯越靠近爐芯,產(chǎn)物越致密。距爐芯邊緣2~34H-SC+3C-siCcm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SC,含量為9837%,其200中3C-SC占7.99%,6H-SC占19.28%,4H-SiC占1001.1%,SiO2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)察所生成SC晶體顏色黑亮,但顆粒尺寸均小于1mm,從SEM圖4副產(chǎn)品的XRD譜照片(圖5)可以看出,氣化時(shí)間為15h時(shí),低變質(zhì)煙煤氣化副Fig 4 XRD of byproduct產(chǎn)品SC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25h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)生的熱量會(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<200℃200℃