双热源煤新型气化机理研究

第29卷第3期西安科技大学学报Vol.29 No.32009年5月JOURNAL OF XI'AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOCYMay. 2009文章编号: 1672 -9315(2009)03 -0352 -06双热源煤新型气化机理研究田玉仙' ,王晓刚”,张亚平'，吴敏焕',王喜莲' ,强军锋' ,田欣伟'(1.西安科技大学理学院.陕西西安710054; 2.西安科技大学材料科学与工程学院,陕西西安710054)商要:以煤和石英砂为原料,在自制双热源煤新型气化炉上实现了煤炭新型气化,测试了气化产物,从气化原料的高溫结构相变和气化反应过程热力学分析出发，研究了煤新型气化机理。结果表明:双热源煤新型气化的产物除了富含CO的煤气外,还包括大量SiC副产品，其晶相以3C -SiC(77. 99%)和6H - SiC(19. 28%)为主,煤气中可燃气体浓度为86. 9% ~90. 5%,产率5.0 m'/h;气化炉内不同温区,煤气产生原理不同,0~1 400C温区,煤气主要来源于原料干燥和煤热解反应,1 400-2600 C温区,煤气主要来源于多孔焦碳与SiO2u), SiOze及中间产物Si0。的电热还原反应,同时伴生副产品SiC;各气化反应阶段所产煤气总量为该时刻所有温区所产煤气总和。关键词:煤炭气化;反应机理;多热源;气化炉;碳化硅中图分类号: TQ 53文献标志码: A中国是一个煤资源较为丰富的国家,煤的年产量在10亿t以上,在一次能源消费中占72%左右,其中大部分是直接燃烧用于电力工业和运输行业,不仅能源利用率低下,而且会释放大量SO2,CO2,烟尘和NO,,严重污染环境。以“ 煤气化为基础的多联产技术”,是实现煤炭洁净高效开发与利用的途径"。然而,我国煤气化比重较低,且整体气化技术比较落后。开发新的煤炭气化方法,尽快形成有自主知识产权的煤气化技术迫在眉睫。课题组在多年从事煤炭洁净转化研究中,以煤、石英砂、电为基础资源,在自行发明的双热源煤新型气化炉上实现了煤的气化,并得到了四高SiC副产品23。文中用双热源煤新型气化法将陕北低变质烟煤变成了富含Co煤气,并结合原料的高温结构相变,从炉内气化反应过程热力学出发，研究了气化机理。1实验表1煤质分析Tab.1 Technical analysis of bituminous%工业分析/%(u)，元素分析/% (w,du)MatAaF.CNS9.793.9153.424.6714.030.99实验采用自行发明的双热源煤新型气化炉(图1) ,炉膛体积740 mm x560 mmx1 140 mm,装料量约300 kg.双石墨矩形炉芯,尺寸为40 mm x40 mm x60 mm,供电功率30~35 kW，集气装置为自制高分子复合材料集气罩,送电前集气罩顶部距炉表580mm.实验原料有石英砂和陕北低变质烟煤。石英砂纯度99% ,粒度0~5 mm,煤粒度0~4 mm,煤质分析见表1。按碳硅比0.67配料后,球磨混合120 min直接装炉气化。煤气由排气管引出后直接烧掉。定时采集煤气,用QF - 1904奥氏气体分析器、玻璃转子流量计收稿日期: 2008-10-20基金项目:国家自然科学基金项日(50174046)作者简介:田玉仙( 1970- ).女，重庆市人,副教授,博士生,主要从事矿物加工利用研究.第3期田玉仙等:双热源煤新型气化机理研究353分别对气体组分和气流量进行分析,用“U型"压力计在线监集气罩防护网测炉压,使之始终处于微正压状态,用D/max-2400型X射]热电网线行射仪测定副产品SiC晶相,用扫描电镜观察SsiC的形貌。流量计2结果与分析图1 实验装置2.1双热源煤新型气化产物Fig. 1 Experimental apparatus表2烟煤全新料气化后煤气成分Tab.2 Gas composition of new bituminous material时间/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-焙烧料熔烧料」9.S+全新料:培烧料; 66i 62Ee 58包7.5s4soE46253456789101213823456789101112132345678910111213时间ha)(bc)图2焙烧原料对煤气有 效成分影响Fig.2 The ffet of roasting material on gas composition(a)CO (b) C0+H2 (c) CO+H2 +CH,双热源煤新型气化产物有2种:主产品煤气和副产品SiC.从表2可知,低变质烟煤全新料气化后所得煤气主要由CO组成,还含有一定量的H2,CH。以及微量的CO2,N2,02，。455炉乐NH,.全新料气化,整个气化反应期间CO浓度介于47.5% ~61.2% ,H2的浓度介于23.2% ~31. 3% , CH.的浓度介于6.中3.0E果25F1% ~8. 1% ,化工原料气(CO + H2)的浓度介于78.8% ~ 84.4%,可燃性气体浓度介于86. 9% ~ 90. 5%。而采用焙烧料(原料先在1 000C下焙烧后再气化)气化(图2),煤气基本成05105205分不变,但其co浓度比全新料法高，H2的浓度略有下降,煤图3 35 kW气化炉煤气产率气有效组分浓度增加。可见气化工艺对煤气有效组成有较大Fig3 Gas flux of 35 kW coal gasifier影响。图3为微正压下(平均炉压3.2 kPa)实测煤气流量。从图3可看出，恒功率送电,气流量在很短时间内迅速升至稳定值,反应中期变化较小，整个气化过程中煤气平均产率为5.0 m'/h,且煤气产率有一-定的稳定性。如果气化时采用“循环”生产模式,即至少4台气化炉同时协调工作,装料、气化、冷却和拆炉过程在炉组内4台气化炉上循环进行,即可实现煤气的连续生产。拆炉后发现炉芯外围有一-近似椭圆的结晶简。用肉眼看,结晶筒中心是黑色疏松状石墨，为炉芯材354西安科技大学学报2009年料,从炉芯边缘到结晶筒外围,颜色由黑亮逐渐向灰黑、灰色4 000，26H-IC4H-S5C3C-5C过度,分层明显,越靠近炉芯,产物越致密。距炉芯边缘2~33 000SiO,口cm处取样作XRD分析,结果见图4。从图4可以看出，气化副产物为SiC,含量为98.37%,其2000中3C -SiC占77. 99%,6H-SiC占19. 28%,4H -SiC占10001.1% ,Si02占0. 93%,杂质、非晶相和未检出物质占0.7%。炉芯周围产品晶型以3C为主，说明此处温度不太高。肉眼观10203040506070 80察所生成SiC晶体颜色黑亮，但颗粒尺寸均小于1 mm,从SEM图4副产品的XRD谐照片(图5)可以看出,气化时间为15 h时,低变质烟煤气化副Fig.4 XRD of byproduct产品SiC为半自形与板状混合结晶,其中半自形结晶占多数,结晶较致密;而25 h气化副产品siC多为六方板状结晶,晶面晶棱不但规则，而且清晰可见,由一些片状相同的网面平行排列，形成密排的堆垛状SiC板,其中还有部分沿不同方向堆砌,形成块状和粒状的多晶聚合体，结构较疏松。2.2双热 源煤新型气化机理探讨图5副产品的 SEM照片气化炉炉体狭长，炉长方向情况基本相同,热量传递Fig. 5 SEM of byproduct(a)15h (b)25h主要是在垂直于炉长方向的平面内进行。从图1可以看出炉芯周围煤和石英砂直接接触,炉芯通电发热产生的热敏会通过原料由近及远地传输;同时,气化炉内有气态物质存在,随气化反应进行,炉压增大,高温气体通过物料间隙向集气空间扩散,与炉芯外围低T<200CT-700C200C