刘庄煤气化反应动力学特征的研究 刘庄煤气化反应动力学特征的研究

刘庄煤气化反应动力学特征的研究

  • 期刊名字:中国矿业大学学报(自然科学版)
  • 文件大小:695kb
  • 论文作者:梁杰,刘淑琴,余力,项友谦
  • 作者单位:中国矿业大学,华北市政工程设计研究院
  • 更新时间:2020-07-12
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第29卷第4期中国矿业大学学报Vol. 29 No. 42000年7月Journal of China University of Mining & TechnologyJul. 2000文章编号:1000-1 964(2000)04-0400 03刘庄煤气化反应动力学特征的研究梁杰',刘淑琴',余力", 项友谦2(1.中国矿业大学化工与环境工程系,北京10008312. 华北市政工程设计研究院,天津300000摘要:针对煤炭在气化过程中高温的碳与二氧化碳和水蒸汽发生的非均向反应决定了出口煤气的组分和热值这,问题,在实验的基础上,研究了刘庄煤气化过程中CO,还原反应和H2Oq分解反应的动力学特征,确定了其化学反应的速率表达式,得出其反应活化能分别为140.41 kJ/mol和171. 53 kJ/mol.关键词:二氧化碳;水蒸汽;反应动力学特征;活化能中国分类号: TD 841文献标识码: A煤是一种固体化石燃料,与一般气体燃料相热,并恒温在85 C左右反应炉以20 C /min的速比,其元素组成中的碳、氢比例较高.煤炭地下气化率升温,约40min将炉温升至800C,打开吹风机的本质就是将处于地下的煤进行有控制的燃烧、气给饱和器出口及反应管进口加热,以防止水蒸汽冷化,使煤由高分子固态物质转化为可燃的低分子气凝,记录大气压力和室温,向饱和器通人氮气态物质排出地面使用,也就是改变煤中碳、氢比结30.11L/h,2min之后将反应管出口的气体用奥构的过程但它不同于燃烧,其目标产物是CO和氏气体分析仪取样分析其中的CO,COr等气体组H2,而不是CO,和H2Og.因此尽管地下气化过程分的浓度,同时记录饱和器的出口温度停止向反中碳与氧、二氧化碳和水蒸汽等发生多种化学反应器通人氮气和水蒸汽的混合气体,然后继续升应,但最重要的两个制气反应是二氧化碳的还原反温,进行下一轮温度测量.应和水蒸汽的分解反应作者通过实验研究了刘庄煤地下气化CO2还原和H2Oe分解的反应动力学特性,确定了其化学反应的速率表达式1实验部分询听1.1实验装量煤与二氧化碳和水蒸汽反应活性的测定装置回000主要由钢瓶、气体干燥器、水蒸汽、温控器等组成,见图1.1.2实验方法图1反应活性测定装置Fig.1 Apparatus for testing reaction activity地下气化过程中,煤基本上是先经过千馏再进1. 抓气瓶或CO2钢瓶; 2. 气体干燥器: 3. 流量计行气化,因此,测定时要将煤在定温度下 进行水蒸汽饱和器: 5.反应炉: 6.反应管: 7.温度控制器,预处理先将煤在管式干馏炉里进行千馏除去挥发8. 气体分析仪,9热电偶套营: 10.温度计11.恒温水裕份,然后将其筛分并提取粒度为3~6mm的试样中国煤化工力学数据的测定与水300 g供测定反应活性用蒸MHC N M H G定过程基本相同,只是煤与水蒸汽反应活性测定方法是将水蒸汽饱将氨气改为E氧化碳气体,并且不经过饱和器而直和器注人三分之二蒸馏水,再将恒温水浴进行电加接进人反应器收稿日期: 1999 - 10-11作者简介:梁杰(1964- ),男,江苏省宝应县人,中国矿业大学讲师,工学博士,从事煤发地下气化研究第4期梁杰等: 刘庄煤气化反应动力学特征的研究4012 实验数据处理C+ H2Og)CO+ H2(1)2. 1二氧化碳气体反应动力学参数的计算C + 2H2Og)CO2 + 2H2(2)二氧化碳与碳的反应是一个体积增加1倍的据此有反应,反应压力为常压,但温度很高,因此反应级数KmH2O =mcrVANTPC(gasNTp)(9CO) + p(CO2))C(H2OTR.Pa)(1 - 2q(CO)一3q(CO2))可视为12,反应关系式为式中:KmH2O为煤与水蒸汽的反应速率常数,D. =-2(CO)2ln 2+ x(CO)2- pCO)2- qXCO),mol/(g . h); VNyNTP 为氮气标准体积流量,L/h;由于试样的质量易测得,因此采用以试样质量C(gaSNTP)为标准状态下气体浓度,mol/L;为基准的反应速率常数K来表示:c(H2Or)为水蒸汽在某一反应状态(TR. PR)下Km =D.VCOTr的浓度,mol/L;q(CO) ,q(CO2)为出口气体中co,mo,rTo式中: D.是达姆克勒(Dahmkuhler)准数;q(CO)是CO2的体积分数,%.由不同温度下测得的CO2,CO体积分数,根据反应器出口co体积分数,%;Vco2是进口CO2流上述公式可计算出相应的反应速率常数,再根据量,L/h;mer是r时刻反应试样质量,g m.r =Arhenius图求出频率因子和活化能Mer-1-Omemer-是上一时间段内的试料质量,3结果及 分析g;Ome为上一时间段内反应掉的物料质量,g;Tr为反应温度,K ;T。为标准状态温度,K.对刘庄煤矿地下气化用煤进行了气化参数测将测得的反应速率常数的对数与反应温度的定实验用CO2进行实验的数据与整理结果见表倒数绘制在Arrhenius图上,进而得到反应速率常1 ,其Arrhenius图见图2a,其中Vo, =30.11 L/h,数的频率因子和活化能,浓度为0. 045 mol/L.用水蒸汽进行气化的实验结2.2水蒸汽分解反应速率常数的计算果见表2,其Arrhenius图见图2b,其中VN2 . NTP=水蒸汽与碳的反应见反应式如下:30.01 L/h,c(gaSNTp)= 0.045 mol/L.4.5 I.0050.06.57.075 8.0 8.5 90.0-798.99+/10*K一/10K(向) C-CO26) C.H2Ow图2 C-CO2和 C-H2Og的Arrhenius图Fig. 2 Arrhenius figures of C CO2 and CH2OGp由表1可知,CO,的还原速率与温度成正比,根据测得的动力学参数,对刘庄煤地下气化过温度在1000C以下时,反应速率较低,随温度增程空气煤气CO,COz组分随还原区温度变化的关长速度也较慢,温度在1 000 C以上时,反应速率系 进行了计算,并与模型试验实测值进行了比较,随温度增长较快因此要提高CO2的还原速率,必见图3.从图3中可看出,实测点基本分布在计算须提高还原区的温度刘庄煤COz还原反应的活曲线的附近,误差主要来自两个方面:1)实际气化化能为140. 41 kJ/mol, 反应活性较高对于活性过程中其他组分及气化炉还原区温度分布不均匀燃料,还原带温度在1000~1 100 C时,CO2则具对还原反应的影响:2)气化煤层中热解煤气组分有较高的还原率[0.的加中国煤化工由表2可看出,对水蒸汽分解反应当反应温YHCNMH北还原区温度要求.度升高时,正向反应进行得较完全当温度达到控制在 1 000 C以上,这样才能获得较高的CO21000C时,反应速率迅速增加,因此在1000C和HOm还原率,从而得到热值较高的煤气因此以上水蒸汽分解反应可视为不可逆反应,且生成在操作工艺上须采用双火源气化和多点供风气化Co的反应速半明显地大于生成CO2的反应速率来提高还原区的温度中402中国矿业大学学报第29卷由图2a,2b回归后可得到CO2还原反应和Km.o= 2.587x 10e--a,H2Oo分解反应的速率常数表达式:式中R=8. 31 J/(mol . K).Km.co, = 4.985x 10e- RT表1刘庄煤CO2反应数据Table 1 Reacton data of CO2 for Liuzhuang coal反应温度Tr/K112311731223127313231373142314734(CO2)/%87. 279.065. 457, 639.0128.818.8 I14.47.8g(CO)/%21.034.642.461. 071. 281.285.692. 2D.0. 0730. 1320. 2600. 3580. 7161. 0571. 6172.0493.011me r/g10. 5110.4610. 3910. 229. 999.558. 897. 886.590.0450.0820. 2220. 4460.6591.0081.2911. 877速事/(mmol. /(g.h)-) 8. 6615.7531.2643. 4889.36138. 16226.97322.75569.63注:大气压加=99.58 kPas室温0=12.5 C试样质量mo= 10 50 g反应时间Or= 2. 5 min.衰2刘庄煤 H2Ou反应效据1000C以上时,反应速率随温度增长较快要提Table 2 Reaction data of H2Og for Liuzhuang coal高CO2的还原速率,必须提高还原区的温度.1073 1123 1173 1223 1273 13232)对水蒸汽分解反应,当反应温度升高时,正KCO21/%3.45.8 7.6 7.2 4.8 3.2p(C0)/%1.85.2 10.4 19.6 33.8 36. 8向反应进行得较完全当温度达到1 000 C时,反OmC/0.04 0.0.200.43c(H2OrgPR)/(mmol.L-1) 6.39 6.11 5.85 5. 615.39 5.19应速率迅速增加,因此在1 000 C以上水蒸汽分解婆车mmol g.h)-)_ 6.95 17.16 37.2 81. 25259. 88339.0反应可视为不可逆反应,且生成CO的反应速率明注:大气压加=100. 25 kPay室湿40=16.0 C试样质量mo=10.937g,反应时间or=2.5nin.显地大于生成CO2的反应速率3)刘庄煤地下气化还原区温度要求控制在ot1000C以上,这样才能获得较高的COr和H2O(q)25CO还原率,从而得到热值较高的煤气.5参考文献:CO210[1] Chang H L, Himmelblau D M. A Sweep efficiencymodel for UCG[J]. In Situ,1985(9) :185- 221.1073 1123 1173 1223 1273 1323 1373[2]邬纫云.煤炭气化[M].徐州:中国矿业大学出版社,T/K1985.38 49.图3 CO ,CO2浓度计算值和实测值的比较[3]李耀娟, 田玉璋,于在平,煤炭地下气化[M].沈阳:东Fig. 3 Comparison between calculated and measured resultsof concentration of CO and CO2北工学院出版社1981.191-194.[4]梁杰急倾斜煤层地下气化过程稳定性及控制技术4结论的研究[D].徐州中国矿业大学,1997.1) COz的还原速率与温度成正比,温度在Research on Kinetics Characteristic ofLiuzhuang Coal GasificationLIANG Jie',LIU Shu-qin', YU Li,XIANG You- qian2( 1. Department of Chenistry and Environment Engineering CUMT ,Bejjing 00083, China2. Huabei Design and Rescarch Institute of Municipal Engineering ,Tianjin 300000 China )Abstract: In the process of coal gasification, the gas composi中国煤化工depend on the hetero-geneous reaction among heated coal, CO2, and H2Ok). AimiYHC N M H Getics of the reaction ofCO2 and H2Oe) in Liuzhuang coal gasification was studied experimentally, the expressions for reaction ratewere determined. The result shows that the values of activation energy obtained are 140. 41 kJ/mol and171. 53 kJ/mol respectively.Key words: carbon dioxide; steam , kinetis , activation energy

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