煤熱解/氣化半焦燃燒特性的研究

王俊琪，方夢祥

（1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，210023南京；2.浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，310027杭州）

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煤熱解/氣化半焦燃燒特性的研究

王俊琪1，方夢祥2

（1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，210023南京；2.浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，310027杭州）

煤部分氣化技術(shù)是潔凈煤技術(shù)的一個(gè)重要研究方向，而氣化后的半焦的利用問題是當(dāng)今的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文研究了在小型流化床試驗(yàn)臺(tái)上熱解/氣化后半焦的孔隙特性，并在該小型流化床試驗(yàn)臺(tái)上研究了不同氣氛下制得的半焦的燃燒特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：半焦燃燒后其大顆粒的灰渣較少，粒度在0.6～1.0 cm之間的最多，這非常有利于灰渣的綜合利用；其次，半焦燃燒過程中污染物的排放量非常低，因此煤部分氣化集成半焦燃燒技術(shù)是一種非常有發(fā)展前景的潔凈煤技術(shù)。

煤氣化；半焦；流化床；燃燒特性

1　引言

中國的能源結(jié)構(gòu)長期以煤為主，而且在今后相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)不會(huì)有大的改變。然而煤在燃燒中放出大量的SO2等污染物，嚴(yán)重污染了環(huán)境。隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，實(shí)現(xiàn)煤的高效、清潔、低污染利用成了當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。煤作為一種復(fù)雜的混合物，如果單純以燃燒為主，不僅造成了能源的巨大浪費(fèi)，還污染了環(huán)境。基于煤分級轉(zhuǎn)化思想的煤部分氣化集成半焦燃燒的多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)［1］實(shí)現(xiàn)了煤的高效低污染利用，更好地解決了人們所面臨的資源與環(huán)境問題。

孫瑞等［2］利用高溫?cái)y帶流反應(yīng)器對工業(yè)爐二級旋風(fēng)分離器捕獲的氣化半焦進(jìn)行燃燒反應(yīng)，對反應(yīng)器不同軸向不同停留時(shí)間采樣的半焦進(jìn)行孔隙特性分析。張榮光等［3］在常壓循環(huán)流化床中試裝置上進(jìn)行了升華煤的氣化試驗(yàn)，分析了試驗(yàn)條件對煤氣組成、熱值、碳轉(zhuǎn)換率和煤氣效率的影響。周宏倉等［4］在小型流化床氣化爐上進(jìn)行了空氣和水蒸汽存在的條件下的煤部分氣化試驗(yàn)，研究了石灰石、碳酸鈉和白云石三種催化劑對煤氣組分、熱值、煤氣產(chǎn)率和轉(zhuǎn)換率的影響。盛宏至等［5］研究了不同煤種制得半焦中揮發(fā)分、灰分、固定碳隨制備溫度不同的變化趨勢，得出了不同半焦燃燒的動(dòng)力學(xué)模型。此外，國內(nèi)外很多學(xué)者［6-14］在熱重分析儀上研究半焦的燃燒特性，相對而言，研究半焦在流化床中的燃燒特性較少。本文以熱解氣化后的半焦為原料，對不同氣氛下制得的半焦進(jìn)行對比分析，并在小型循環(huán)流化床上進(jìn)行半焦的燃燒試驗(yàn)。

2　試驗(yàn)裝置與燃料特性

實(shí)驗(yàn)在小型循環(huán)流化床實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖如圖1所示。爐膛升溫采用電加熱的方式。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由氣體預(yù)熱系統(tǒng)、流化床反應(yīng)器本體、給料系統(tǒng)、返料系統(tǒng)、氣固分離系統(tǒng)、半焦和渣取樣系統(tǒng)等部分組成。實(shí)驗(yàn)臺(tái)選用管徑Ф89 mm×6 mm耐1035℃高溫的不銹鋼管作為反應(yīng)器。反應(yīng)器高度為2.8 m，循環(huán)物料入口在布風(fēng)板上0.4 m，溢流口在布風(fēng)板上0.35 m處，上給煤裝置入口在布風(fēng)板上0.66 m處，下給料機(jī)送入口在布風(fēng)板上0.1 m處。

圖1　小型流化床試驗(yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)中，沿流化床反應(yīng)器的高度方向在不同位置處布置了高溫?zé)犭娕迹瑹犭娕疾迦氲綀A柱型反應(yīng)器筒體的中央。此外，在返料系統(tǒng)、氣固分離系統(tǒng)、氣體預(yù)熱系統(tǒng)均布置有熱電偶。空氣流量的測量采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)。給料量是通過對螺旋給料機(jī)的標(biāo)定來確定給料量。煤氣從系統(tǒng)的二級分離器后采樣，利用氣相色譜儀和紅外氣體分析儀分析煤氣的成份。

半焦制備時(shí)，先在流化床反應(yīng)器內(nèi)放入一定量的石英砂作為床料；然后打開電加熱開關(guān)，對爐體進(jìn)行預(yù)熱。同時(shí)開啟羅茨風(fēng)機(jī)和空氣預(yù)熱系統(tǒng)，對進(jìn)入反應(yīng)器的空氣進(jìn)行預(yù)熱，待反應(yīng)器溫度升至600℃左右時(shí)，開啟給煤機(jī)，將煤加入流化床反應(yīng)器，使其進(jìn)行燃燒升溫，然后通過控制空氣量、煤量、氧氣量、水蒸氣的量，控制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，待系統(tǒng)穩(wěn)定后開始進(jìn)行取樣。半焦燃燒時(shí)，步驟與半焦制備類似，只不過采用的材料為部分氣化后的半焦，反應(yīng)氣體采用的是空氣。

棗莊煙煤的工業(yè)分析和元素分析如表1所示。

表1　棗莊煤的工業(yè)分析、元素分析及發(fā)熱量

半焦的制備條件如表2所示。

表2　半焦制備條件表

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1半焦的工業(yè)分析

半焦的工業(yè)分析和元素分析如表3所示。

3.2半焦孔隙特性分析

半焦的孔隙特性分析如表4所示。孔隙特性與含碳量、熱值之間的關(guān)系如圖2所示。

表4　半焦孔隙特性

表3　半焦的工業(yè)分析、元素分析及發(fā)熱量

圖2　半焦空隙特性與含碳量、熱值關(guān)系

由圖2可見，隨著比表面積和總孔容積的增加，含碳量和熱值均呈下降趨勢，而隨著平均孔徑的增大，半焦含碳量和熱值呈上升趨勢，這是由于反應(yīng)進(jìn)行的比較完全，孔隙結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了很多微孔，而且微孔所占的比例很大，含碳量下降，熱值降低，微孔比例的增加有利于燃燒反應(yīng)的進(jìn)行。

3.3半焦燃燒特性分析

（1）燃燒試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)

半焦燃燒試驗(yàn)典型運(yùn)行參數(shù)如表5所示。

表5　半焦燃燒試驗(yàn)的典型運(yùn)行參數(shù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表5的運(yùn)行參數(shù)可見，氣化后剩余的半焦燃燒非常穩(wěn)定，床層溫度較高。

（2）燃燒的污染排放特性

由表5可見，半焦燃燒產(chǎn)生的NOx非常少，H2S幾乎沒有。相反，煤燃燒時(shí)的NOx產(chǎn)率較高。此外，半焦燃燒產(chǎn)生的SO2比較少，因此半焦燃燒比煤燃燒潔凈。

（3）灰渣特性

實(shí)驗(yàn)半焦燃燒后灰與渣的粒度分析如表6所示。

表6　灰與渣的粒度分析

由表6可見，渣的粒度分布主要集中于0.6～1 cm，大粒度的渣比較少，而灰主要集中于小于0.355 cm的粒徑范圍，這十分有利于灰渣的綜合利用。

半焦燃燒灰與渣的含碳量分析如表7所示。

表7　灰與渣的含碳量分析

由表7可知，與煤氣化的灰與渣的含碳量相比，半焦燃燒比較完全，灰渣含碳量較小。與煤燃燒相比，半焦燃燒的碳轉(zhuǎn)化率高。但是由于爐膛稍微傾斜，因此燃燒溫度稍微偏低，碳轉(zhuǎn)化率有所下降。

4　結(jié)論

（1）本文進(jìn)行了煤和半焦的孔比表面積、孔容積、平均半徑特性分析，對煤和半焦進(jìn)行比較，通過分析發(fā)現(xiàn)氣化后半焦的孔隙率明顯大于熱解半焦的孔隙率和原煤的孔隙率。

（2）通過對熱解半焦的孔隙特性進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)隨著熱解溫度的升高，半焦的孔隙率增加，平均孔徑變小，微孔和小孔的分布比例增加。

（3）通過對氣化半焦的孔隙特性進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)隨著氧氣濃度的增加，半焦的孔隙率增加，平均孔徑變小，微孔的比例急劇增加。

（4）半焦在流化床中可以穩(wěn)定燃燒，燃燒產(chǎn)生的NOx比較小，H2S幾乎沒有，而產(chǎn)生的SO2比較少，半焦燃燒比煤燃燒潔凈。因此，基于煤部分氣化、半焦燃燒的分級利用技術(shù)不但可以提高碳的轉(zhuǎn)化率，而且還最大程度的減少了污染物的排放，是一種非常有前景的煤炭綜合利用技術(shù)。

［1］岑建孟，方夢祥，王勤輝，等.煤分級利用多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)及其發(fā)展前景［J］.化工進(jìn)展，2011，30（1）：705～708.

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Study on Characters of Semi-coke After Coal Pyrolysis and Gasification

WANG Jun-qi1，F(xiàn)ANG Meng-xiang2，LUO Zhong-yang2
（1.Nanjing Institute of Industry and Technology，Nanjing 210023；2.State level Key Laboratory for Clean Energy Utilization，Hangzhou 310027）

Coal Partial Gasification Technology is one of important research direction on clean coal technology，And utilization problems for gasification semi-coke is a research focus nowadays.Study on the pore characteristic of semi-coke after Coal pyrolysis and Gasification was carried out in the article.And study on combustion for semi-coke prepared by a small fluidized bed was proceeded。The experimental results show that large particle ash slag was very few after semi-coke combustion，Particle Size for 0.6～1.0 cm was most。This was very beneficial to comprehensive utilization for ash slag。Secondly，pollutant emission for semi-coke combustion was very little。So coal partial gasification technology and semickoe combustion technology is a very good development prospect clean coal technology。

Coal Gasification；Semi-coke；Fluidized bed；Combustion characteristic