探析煤炭部分氣化分級轉化的關鍵技術應用

王朋濤 郭亮

摘 要：煤炭是我國主要的一次能源，為了清潔高效地利用煤炭能源，要重視煤炭分級轉化多聯(lián)產技術的應用，引入循環(huán)流化床煤炭部分氣化技術與循環(huán)流化床半焦燃燒技術，以煤炭不同組分的性質差異為依據(jù)，實現(xiàn)煤炭資源的熱解、氣化和燃燒的整合、梯級化利用，轉變煤炭資源利用單一化的低效現(xiàn)象，提升煤炭資源的高效清潔利用。

關鍵詞：煤炭 循環(huán)流化床 氣化 分級轉化

煤炭資源是當前主要的能源資源，要重視對煤炭資源的清潔高效利用研究，分析煤炭分級轉化多聯(lián)產技術的應用，基于煤炭各組分的不同性質和轉化特性，通過熱解或氣化的方式，將煤炭中的氣化部分轉化為煤氣和焦油，體現(xiàn)出技術成熟、污染物排放低、對煤炭實現(xiàn)梯級利用的特點，為解決煤炭資源燃燒的能源環(huán)境問題開辟了先進的技術途徑。本文重點探討以煤炭部分氣化為基礎的多聯(lián)產技術，先氣化煤炭中的高活性物質，生產出煤氣，而未氣化的半焦則進入到燃燒爐中進行燃燒，生成用于發(fā)電或供熱的高參數(shù)蒸汽。

一、 煤炭部分氣化分級轉化多聯(lián)產技術分析

由于煤炭資源含有的低揮發(fā)組分較低、焦油含灰量較大，煤炭熱解技術無法提升煤炭的利用效率，因而要引入煤炭部分氣化分級轉化多聯(lián)產技術，將循環(huán)流化床煤炭部分氣化技術與循環(huán)流化床半焦燃燒技術相整合，以循環(huán)流化床氣化爐和循環(huán)流化床燃燒爐為核心單元，由給料機輸送煤炭進入到氣化爐中，與水蒸氣/ O2、CO2/O2或空氣等反應介質產生氣化反應，使活性較高、易于轉化的煤炭轉變?yōu)槊簹猓捶磻陌虢箘t經由溢流口進入到燃燒爐中，與空氣充分混合并燃燒。通常來說，氣化爐和燃燒爐的運行溫度分別控制在950-1000℃、900℃。該技術對高溫高壓的環(huán)境條件沒有特殊要求，實現(xiàn)了煤炭的梯級利用，同時也降低了二氧化碳等污染物的排放[1]。

二、 煤炭循環(huán)流化床部分氣化的特性分析

煤炭部分氣化分級轉化技術以循環(huán)流化床氣化爐為核心單元，可以通過水蒸汽和O2兩種氣化劑混合條件下的循環(huán)流化床實驗，高效捕集CO2，實現(xiàn)煤炭的低碳清潔利用。

（一）實驗材料

篩分選取0.35-0.9mm粒徑的煤炭顆粒作為實驗樣品，以0.15-0.35mm粒徑的黃沙作為流化床反應器的床料，預先將煤料烘干，使之在105℃的高溫下烘干12小時，并準備好實驗所需的小型常壓循環(huán)流化床反應器設備，內設給煤裝置、給氣裝置、氣固分離裝置、DCS控制系統(tǒng)、返料裝置、引風機等。

（二）實驗步驟

（1）分別將爐膛、立管、氣體預熱器的溫度設置為650℃、350℃和400℃;（2）打開氣瓶、蒸汽發(fā)生器的開關，并注入定量氣體。（3）將750g的床料由爐膛上端添加至爐膛，并將3公斤的煤料送入螺旋給料機裝置。（4）將煤料經由螺旋給料機送入爐膛，升溫至實驗溫度，并開啟蒸汽發(fā)生器的閥門，使蒸汽進入到爐膛之中。（5）調節(jié)氧煤比和蒸汽煤比，保持穩(wěn)定的氣化溫度，并進行定時氣體成分分析。（6）反應持續(xù)半個小時之后關閉氣瓶、蒸汽反應器和給煤機，通入定量的N2冷卻爐膛至200℃的溫度，實現(xiàn)對爐膛中半焦的成分分析。一般來說，采用氣相色譜分析儀的低氮方法進行氣體成分分析，采用傅里葉光譜儀進行半焦性質分析。

（三） O2/H2O氣氛下的實驗結果分析

（1）氧煤比對部分氣化特性的影響。氧煤比對氣化溫度、碳轉化率及煤氣低位熱值都產生極其明顯的影響，當氧煤比由0.37增加至1.15的條件下，氣化溫度由890℃升高至987℃，碳轉化率由79%增加到92%。（2）蒸汽煤比對部分氣化特性的影響。蒸汽煤比極大程度上影響了煤氣成分、氣化溫度、碳轉化率和煤氣低位熱值，當蒸汽煤比由0.32增加至0.51時，CO含量增加約2%，H2含量增加約9%，CO2含量則由40.92%降低至29.93%。隨著水蒸汽的更多注入，碳轉化率由88.3%增加至91.2%，煤氣低位熱值在蒸汽煤比達到0.51時達到最大值，為9.1MJ/Nm3。（4）半焦特性分析。可以利用拉曼光譜儀測定半焦中碳形態(tài)，在反應器中的反應逐漸劇烈的條件下，半焦的碳結構呈現(xiàn)出有序性，并表現(xiàn)出越來越低的半焦活性。同時，利用傅里葉紅外光譜儀測定半焦表面官能團，研究氣化條件對半焦表面官能團的影響[2]。

（四）O2/CO2氣氛下的實驗結果分析

（1）氧煤比對煤炭氣化特性的影響。當氧煤比增加的條件下，CH4含量呈現(xiàn)出持續(xù)減小的趨勢，體現(xiàn)出CH4對O2含量的敏感特性。當氧煤比由0.39增加至0.57時，CO+H2含量表現(xiàn)出持續(xù)減小的趨勢。當氣化反應溫度由800℃持續(xù)上升至930℃時，焦油含量由之前的5.1mg/Nm3下降至1.5mg/Nm3，表示焦油在氧煤比增加的條件下，與O2產生反應并出現(xiàn)分解，能夠更好地促進系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。（2）氧煤比對氣化溫度、碳轉化率、CO2轉化率及煤氣低位熱值的影響。當氧煤比增加的條件下，氣化溫度不斷升高，并當氧煤比由0.38增加至0.8時，碳轉化率由79%增加至88%，并使煤氣低位熱值呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，最大值達到5.5MJ/Nm3。

三、結語

綜上所述，煤炭部分氣化分級轉化技術是當前研究熱點，本文重點分析典型煤半焦在小型循環(huán)流化床反應器的部分氣化實驗，分析煤炭在O2/ H2O 、CO2/H2O不同氣氛下的氣化特性和半焦結構特性，更好地降低反應成本，實現(xiàn)煤炭的高效轉化。未來還要加強對煤炭部分氣化分級轉化系統(tǒng)的研究，探索不同反應氣氛對半焦內部結構的影響機理。

參考文獻

[1]李謙.煤粉高溫裂解特性試驗及裂解氣化中試系統(tǒng)設計與試驗[D].浙江大學2018.

[2]袁紹.褐煤自燃特性及提質改性處理影響的機理研究[D].浙江大學2018.