煤氣化過(guò)程中焦油裂解的試驗研究

研究與探討煤氣化過(guò)程中焦油裂解的試驗研究薛江濤,方夢(mèng)祥,劉耀鑫,王俊琪,黃軍軍,駱仲泱,岑可法(浙江大學(xué)能源環(huán)境利用與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室,浙江杭州310027)摘要:煤在熱解和氣化過(guò)程中產(chǎn) 生的焦油,影響系統的正常運行。焦油脫除方法可分為氣化爐內(初次脫除)和氣化爐外(二次脫除)兩類(lèi)。盡管二次脫除法非常有效，但由于氣化爐內初次脫除可以大大減少出口煤氣中焦油含量,減輕甚至消除后期處理焦油的壓力,故氣化爐內脫除法得到重視。采用石灰石為催化劑,在1MW熱態(tài)試驗臺上進(jìn)行了試驗,研究焦油和煤氣成分在空氣氣化時(shí)添加不同石灰石含量工況下的變化情況,結果表明,石灰石的加入降低了焦油產(chǎn)率,提高了煤氣產(chǎn)率,改善了煤氣質(zhì)量。關(guān)鍵詞:焦油;熱裂解;催化裂解;氣化中圖分類(lèi)號:TQ524文獻標識碼:A文章編號:1004 - 3950(2004)05 - 0001 -05Experimental study on tar cracking in coal pyrolysisand gasification processXUE Jiang-tao, FANG Meng xiang, LIU Yao-xin, et al(Clean Enery and Enionment Engneing Key Lab d Ministy of Education, Zhejiang Univrsit, Hanghou 31027, China)Abstract:In the process of coal pyolysis, the product of tar causes a lot of problems for nomal system operation. Tar rernovaltechnologies can broadly be divided into two apraches; hot gas clening after the gasifer (scondary methods), and treat-ments inside the gasifer ( primnary methods). Although secondary methods are proven to be ffective, teatments inside thegasifer are gaining much atention as these may relieve or eliminate the pesure of downsteam cleanup. An experiment hasbeen made on a 1MW test fclity, using limestone as the catalyty and the air as the gas agent. The experimental resulsshowed that wth the input of the linestone the yield of tar decresed but the yield of gas increased and the quality of the gaswas also improved.Key words: tar; themal cracking; catalytic cracking; gasification影響內燃機、燃氣輪機、壓縮機等的安全運行;此0引言外焦油中許多物質(zhì)具有致癌作用,如果這些物質(zhì)煤的氣化技術(shù)是潔凈煤技術(shù)的重要組成部被排放到大氣中，就會(huì )造成嚴重的環(huán)境污染[2]。分,是煤炭轉化的主要途徑之-一,氣化的目標是得因此,減少焦油產(chǎn)率,使焦油在氣化和熱解過(guò)到盡可能多的可燃氣體成分。但在氣化過(guò)程中，程中裂解 ,使之大部分或完全裂解成氣態(tài)物質(zhì),對焦油是不可避免的副產(chǎn)物。焦油是-種可冷凝烴于氣化系統具有十分重要的意義。本文采用石灰類(lèi)物質(zhì)的復雜混合物,通常認為其主要成分是較石為催化劑，在1MW熱態(tài)試驗臺上進(jìn)行了試驗，大的芳香類(lèi)物質(zhì)。煤焦油具有刺激性臭味的褐色研究氣化爐內焦油的裂解情況?；蚝诤稚恼吵頎钜后w,是煤熱分解的液態(tài)物1爐內焦油脫除法質(zhì)川。焦油的存在,不僅降低了氣化效率,在低溫時(shí)難于與可燃氣體--道被利用,浪費了能源,還會(huì )- -般直接從中低溫氣化爐抽出的煤氣中焦油堵塞管道和腐蝕設備,對系統的安全運行造成威含量在10g/m3數量級以上,若直接進(jìn)人催化裂解脅;若進(jìn)入下游用氣設備中,會(huì )因氣流夾帶液滴等爐進(jìn)行催化裂解或是直接進(jìn)行水洗,會(huì )給這些后中國煤化工收稿日期:2004 - 07-01項目基金:國家重點(diǎn)基礎研究973計劃項(19992210)MHCNMHG作者簡(jiǎn)介:薛江濤(1979- ),男,河北邯鄲人,在讀碩士。2004⑤能源工程- 1 -研究與探討續處理設備帶來(lái)較大的壓力,并造成焦油脫除效并且隨著(zhù)碳酸鈣加人量的增加,煤氣中氫和一氧果的明顯下降。因此,怎樣降低氣化爐產(chǎn)出的煤化碳含量呈上升的趨勢,而二氧化碳含量變化不氣中本身的焦油含量,也是眾多研究者研究的對大。添加碳酸鈉和碳酸鉀更加能增加煤氣中氫和象。影響爐內焦油含量的主要因素有氣化條件、一 氧化碳含量。床料添加劑和爐型。大部分研究者都認為,白云石和石灰石等碳1.1氣化條件對焦油的影響酸鹽巖石催化劑僅當煅燒后才具有催化活性。氣化爐的運行操作條件非常重要,它影響氣Narvbez等[8]研究表明煅燒的白云石(1% ~5%物化爐的氣化情況,包括碳轉化、產(chǎn)氣成分、焦油的料)提高了氣體的產(chǎn)率。他們在試驗中表明,當物形成和脫除等。最重要的影響因素包括溫度、壓料中加入3%的白云石后,焦油產(chǎn)率降低了40%。 .力停留時(shí)間氣化劑等。Olivares等[9]研究表明加入10%的煅燒白云石,對焦油主要來(lái)源于煤的裂解,所以當煤裂解占于提高氣體產(chǎn)量和減少焦油產(chǎn)量已足夠。主導地位時(shí),焦油的產(chǎn)率隨著(zhù)溫度的升高而增加，盡管白云石具有很好的效果,但由于機械強當煤的裂解和有機質(zhì)的裂解達到平衡時(shí),焦油產(chǎn)度方面的原因,如果應用于流化床中還會(huì )出現快率達到最大值;當有機質(zhì)的裂解占主導地位時(shí),焦速磨損,以較細顆粒的形式被氣流攜帶出反應器油產(chǎn)率隨溫度的升高而降低[3]。焦油的產(chǎn)量隨著(zhù)而損失。因此,許多研究者把目光轉向橄欖石(o-溫度的增加而增加,達到- - 個(gè)最大值后(一般為livine)。橄欖石在耐磨損方面性能優(yōu)于白云石。650C),接著(zhù)隨溫度的增加而下降。溫度不僅僅Rapagna等[10]研究了橄欖石的催化活性,發(fā)現橄影響了焦油形成的總含量,而且影響了氣化爐內欖石催化焦油的能力與煅燒的白云石相當。他們發(fā)生的煤炭熱解的化學(xué)變化,進(jìn)而影響了焦油的報道焦油含量減少了90% ,絕對含量為2.4g/m',成分和性質(zhì)。反應溫度越高,焦油中異質(zhì)原子的而石英砂作為床料石,絕對含量為43g/m3 。含量下降,同時(shí)焦油在性質(zhì)上也越來(lái)越芳香化。對于Ni基催化劑用于氣化煤氣凈化和提高李海濱等[4]總結出,焦油在惰性氣氛中裂解時(shí),焦的研究,較為早期的是瑞典的KTH和美國的油中的H/C比只與裂解溫度有關(guān),隨裂解溫度的PNL。KTH在裂化和重整方面的早期工作表明，提高，焦油中的H/C比下降。在800公以下,甲Ni對生物質(zhì)氣化過(guò)程產(chǎn)生的焦油的縮減效果比苯、二甲苯以及PCX的產(chǎn)率基本上沒(méi)什么變化, .木炭和白云石都要好[川] ,幾乎可實(shí)現焦油和甲烷而在800C以上其產(chǎn)率迅速減少,苯的產(chǎn)率- -直的完全轉化,并使得CO和H2產(chǎn)量加倍。PNL 的研究中采用了Ni的床內催化流化床氣化器形式，到900C還呈上升趨勢。Kinoshita 等[5]指出,隨著(zhù)停留時(shí)間的增加,含采用的催化劑包括Ni、NiO、Ni/MoNi/Mo/Cu、和.氧官能團總量減少。并且,1環(huán)和2環(huán)組分(尤其Y沸石[12]。但由于Ni基催化劑價(jià)格昂貴,用于是苯和萘)含量降低而3環(huán)4環(huán)含量增加。氣化爐內時(shí)易因積炭而引起催化劑顯著(zhù)失活的問(wèn)Seshedri 等[6]在研究中發(fā)現:焦油轉化率隨壓題[13],而且,由于H2S的存在,Ni基催化劑也非常力的增加而增加,同時(shí)改變了氣化產(chǎn)物的分布。容易失活。故爐內一般不采用Ni基催化劑。不同的氣化介質(zhì)如空氣、水蒸氣、二氧化碳及1.3 氣化爐 型對焦油的影響循環(huán)煤氣等對產(chǎn)氣成分和產(chǎn)氣熱值影響很大。就氣化效率、煤氣熱值和焦油形成而言,氣化爐型具有非常重要的作用。1.2床料添加劑對焦油的影響催化劑能有效去除焦油。但是,只有很少類(lèi)具有二次風(fēng)的氣化爐由于二次風(fēng)的射人將得型的催化劑作為床料添加劑用于氣化爐中。其到較高的溫度,可以顯著(zhù)地減少焦油的含量。Pan實(shí),爐內應用催化劑能有效去除焦油,并能省卻下和Roca等[|4)對生物質(zhì)和煤的流化床氣化中通過(guò)游復雜焦油處理系統。添加劑的應用不僅改變了添加二次風(fēng)來(lái)實(shí)現焦油脫除進(jìn)行了實(shí)驗研究,通過(guò)實(shí)驗所得到的最優(yōu)二次風(fēng)與一次風(fēng)的比率為:煤氣的成分,而且改變了煤氣熱值。眾多研究者研究了石灰石作為添加劑提高氣中國煤化工渴煤為10% ,所取得和80%。同時(shí)二次化效率。黃亞繼等[7]在研究流化床部分煤氣化時(shí)HCNMHG發(fā)現添加碳酸鈣后,可以明顯增加氣相中氫含量，風(fēng)的加人使得出山煤氣中i0、H2、氣態(tài)烴的含量- 2 - ENERGY ENGINEERING 2004⑤研究與探討和煤氣的低位熱值出現下降,而N2含量增加,但爐出來(lái)的高溫煤氣,經(jīng)煤氣冷卻器冷卻,凈化器凈是CO2的含量卻基本沒(méi)有出現太大的變化。隨著(zhù)化,除去灰、焦油、水后燃燒排入大氣。從燃燒室二次風(fēng)量的增加,焦油含量先減少后增加,有一-個(gè)出來(lái)的高溫煙氣經(jīng)煙氣冷卻器冷卻,除塵器除塵最小值。因此當二次風(fēng)量超過(guò)這個(gè)值之后,過(guò)量后排人大氣。的二次風(fēng)將導致二次反應段溫度的下降,減少了蒸汽發(fā)生器焦油的裂解和燃燒,氣化效率和煤氣質(zhì)量都將隨旋風(fēng)分離器著(zhù)下降。因此二次風(fēng)量的選擇非常重要。據報道,二段爐氣化法能有效產(chǎn)生清潔煤氣。煤氣其基本觀(guān)念是將熱解段和焦油裂解段分開(kāi)。二段爐氣化相當于兩個(gè)單獨的氣化爐,焦油在熱解段燃燒爐產(chǎn)生,在裂解段裂解減少。丹麥Peder 等[15)采用洗滌塔一種兩段氣化反應器來(lái)實(shí)現焦油量的縮減，該兩二次風(fēng)I煤氣爐段反應器將生物質(zhì)的高溫裂解與木炭氣化段的部分氧化反應相結合,通過(guò)合理的調整空氣的供應，燃料→4返料器可實(shí)現焦油含量的大幅度下降:從二段爐產(chǎn)出的空氣-回煤氣焦油含量只有50mg/m',比單獨的反應爐煤氣中的焦油含量減少了近40倍。圈11MW 熱態(tài)試驗臺Susanto等[16]發(fā)明了一種具有內循環(huán)和單獨2.2 試驗方法熱解氣燃燒區域的氣化爐。此循環(huán)系統大大降低實(shí)驗中采用冷態(tài)捕集方法進(jìn)行焦油的取樣,了焦油的含量( <0. 1g/m)。其基本裝置如圖2。以二氯甲烷為吸收劑,經(jīng)過(guò)一系列吸收瓶,于冷態(tài)下吸收煤氣中的焦油成分。2實(shí)驗部分前4個(gè)吸收瓶浸于冰水混合物中(溫度09C),后兩個(gè)吸收瓶浸于丙酮與干冰混合物中(溫度保持2.1試驗裝置為- 75C左右)。這樣可以有效防止焦油中較輕我們在浙江大學(xué)熱能工程研究所設計的質(zhì)成分的逃逸,幾乎能將焦油所有成分完全吸1MW小型常壓流化床氣化爐試驗臺上進(jìn)行了焦收[18]。用重度分析法(GA)對焦油進(jìn)行重度分油的裂解試驗。試驗系統如圖1所示([17),本裝置析。具體步驟為:先將吸收液經(jīng)濾紙過(guò)濾,再取一氣化爐為常壓流化床,采用空氣氣化,運行溫度為定量的樣品溶液加入分液漏斗中,以約1滴/s的750~ 1000%。燃料經(jīng)給料機給人氣化室,受熱裂速度滴人浸于水浴中的10ml錐形瓶中進(jìn)行蒸餾，解,析出高熱值揮發(fā)分。半焦中部分碳和氣化劑在759C恒溫下蒸發(fā)至近干,然后置于烘箱中,在反應形成煤氣,氣化后半焦隨循環(huán)物料送人燃燒759C下烘干lh,放人干燥器內冷卻30min后稱(chēng)重。室燃盡。燃燒室為循環(huán)流化床,空氣鼓風(fēng)，運行溫稱(chēng)出焦油重量。煤氣成分用SP-3400型氣相色譜度為900- 12009 ,燃用氣化室來(lái)的半焦。從氣化儀分析,色譜柱GDX501(0. 35cm x 60cm)。|甩[幾L 一11210呂中國煤化工」411-主煤氣管道;2-取樣抽氣管;3~ 8-吸收瓶;9-煤氣計量JYHCNMH G團2焦油取樣系統2004⑤能源工程一3.-研究與探討實(shí)驗用煤主要采用兗州煙煤,其揮發(fā)分較高，部分研究者都認為,石灰石等碳酸鹽巖石催化劑易于熱解;灰量達26.45%,適合提供高的循環(huán)倍僅當煅燒后才具有催化活性,鈣必須以原子態(tài)才率;發(fā)熱量23. 56MJ/kg,含硫量0. 47% ,屬于低硫能與煤中的酸性位交換,從而具有較高的催化活煤。其成分如表1所示。兗州煙煤粒度分布為0性。因此,CaO在煤焦表面的分散度就成為石灰~ 8mm,平均粒徑為1.24mm。 試驗裝置中,石英石催化能力的重要標志[19]。隨著(zhù)溫度的提高,石砂作為流化床床料，粒徑主要分布在0.2~ 1.0mm灰石就會(huì )有較多的CaO微粒散布在煤焦表面,其之間,平均粒徑只有0.58mm,石英砂的真實(shí)密度催化作用強度會(huì )相對增大。為2330kg/m? ,堆積密度1523kg/m'。 焦油采樣點(diǎn)200 800C位于氣化爐爐膛出口。催化劑采用石灰石。利用.|15.820900C等離子體發(fā)射光譜法對試驗所用的石灰石進(jìn)行了E 1510.19 .測試,結果見(jiàn)表2。射10表1煤的元素分析和工業(yè)分析6.93工業(yè)分析/%元素分析/%3.141.95_V._ FC_ A !。C._H。0.N.Su26.69 40.26 28.10 4.95 _54.013.377.841.060.6706.70%9.80%表2石灰石的化學(xué)成分團4石灰石不同添加對焦油產(chǎn)率的影響成分Ca0 Mg0 SiO2 FeO3 ALO3 Las Total0「石灰石54.236 0.3467 1.23 0.0757 0.0094 43.69 99.592.3 結果分析5F十H2- CC2.3.1溫度對焦油產(chǎn)率 的影響CO2由圖3可見(jiàn),焦油的產(chǎn)率隨溫度的提高而明顯降低,但從800C到850C時(shí)焦油產(chǎn)率降低了一0L800C 850C 900C倍左右,而從850C到900C時(shí)焦油產(chǎn)率降低并不圖5溫度對煤氣成分的影響十分明顯。在較低溫度下,焦油中含有的易裂解的成分較多,提高溫度,焦油含量明顯降低;但隨.5 「→-不添加石灰石+添加9.8%石灰石) 5.04著(zhù)溫度的升高,焦油越來(lái)越難以分解,從而使焦油E:p 4.79含量的降低變緩。E 4.5a 14.4320.00415.82t 3.8715.00800C850C 900C自10.008.58圖6煤氣熱值 隨溫度的變化第5.002.3.3溫度對煤氣成分的影響氣化溫度是影響煤氣成分的主要因素,氣化溫度的提高有利于加快反應速度,改善化學(xué)動(dòng)力850C900C學(xué)條件,提高氣化強度和生產(chǎn)能力。同時(shí),隨著(zhù)溫圖3溫度對焦油產(chǎn)率的影響圖度的增加焦油裂解會(huì )產(chǎn)生一部分氣體,氣體的成2.3.2添加石 灰石對焦油產(chǎn)率的影響分會(huì )發(fā)生--些變化。由圖5看出,隨溫度的增加，由圖4可以看出,添加石灰石有助于焦油裂H2和CO2的含量有所下降,C0的含量上升。CH4 .解,降低焦油產(chǎn)率。隨著(zhù)石灰石的增加,焦油的含含量總體也具有上升的趨勢。量呈下降趨勢,石灰石能促進(jìn)焦油的催化裂解。中國煤化工向800C時(shí)添加9.8%的石灰石,焦油的產(chǎn)率下降了36% ,而900C時(shí)焦油的產(chǎn)率卻下降了72%。大HCNMHG渡的增加,煤氣的熱值忘體.上都有增加時(shí)趨分;出于石灰石對煤和焦- 4 - ENERGY ENGINEERING 2004⑤研究與探討油的催化作用，添加石灰石后煤氣熱值有所上升。Effect of six operational variables on the quality of pro-duced raw gas[J]. Industrial and Engineering Chemistry3結論Research, 1996, 35:2110- 2120.(1)氣化條件、床料添加劑和爐型都影響了氣[9] Olivares A, Aznar MP，Caballero MA，et al. Biomassgasification: produced gas upgrading by in-bed use of化爐內焦油的產(chǎn)量,選擇合適的參數能盡量的減dolomite[J]. Industrial and Engineering Chemistry Re-少焦油的含量。.search, 1997 ,36:520- 526.(2)隨溫度的提高,一方面有助于煤裂解反應[10] Rapagna s, Jand N, Kiennemann A, et al. Steam-gasi-的深人進(jìn)行，使之更多地轉化成氣體;另--方面也fication of biomass in a fuidized-bed of olivine particles促進(jìn)了焦油的裂解,使焦油產(chǎn)率降低,但降低的幅[J] . Biomass and Bioenergy ,2000,9: 187- 197.度有所減少。[1] Ekstrom C, Lindman N, Pttrson R. Fundamentals of(3)添加石灰石能降低焦油產(chǎn)率,且隨溫度的Thermochemical Bionass Conversion[A]. Elsevier Ap-plied Science[C]. London and New York, 1985 ,601.提高,催化效果增強。(4)添加石灰石在降低焦油產(chǎn)率的同時(shí),能夠[12] MudgeLK, Baker E G, Brown MD, et al. Researchn Thermochemical Biomass Conversion [ A]. Elsevier提高煤氣熱值。Applied Science[C]. London and New York， 1988,參考文獻:1141.[13] Aznar M P, Delgado J, Corella J, et al. 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