粒徑對CO2-煤焦氣化反應速率的影響研究

葉詩瑛

（合肥熱電集團有限公司 安徽合肥 230001）

引言

煤粒徑的大小對CO2在煤焦表面的傳質影響甚遠；顆粒越大，對CO2與煤焦之間的傳質阻力就更大，進而影響焦-CO2的氣化反應速率[1，2]。同時，在相同的溫度下，不同粒徑的煤熱解后所得到的焦炭顆粒的孔隙度也有很大差異[3]。因此，本文研究了粒徑對焦-CO2氣化反應的影響，并采用隨機孔模型對焦-CO2氣化反應動力學研究。

1 實驗原料

煤樣的元素分析及工業分析如表1所示。

表1 煤的工業分析和元素分析

2 實驗方法

氣化實驗熱重分析儀中進行，具體實驗步驟如下：取10±0.5 mg樣品至于托盤中，在N2環境中以10℃/min的升溫速率將樣品加熱至設定溫度，保持10min，將N2切換為CO2，開始焦氣化實驗，保溫120min。其中，CO2和N2的流量均為50ml/min。

煤焦氣化的轉化率計算公式如下：

式中，m0、mt、mash分別代表樣品的初始質量、反應時間為t時的質量和灰分的質量。氣化反應速率計算公式如下：

3 實驗結果與討論

不同溫度下不同粒徑樣品氣化時碳轉化率隨時間的變化，如圖1所示。由圖可知，在相同溫度下，煤焦顆粒越小越有利于焦-CO2氣化反應的進行，如900℃氣化反應時間40min時，顆粒大小為400目的煤焦已經完全反應，300目μm的煤焦轉化了～70%，而200目的煤焦僅轉化了～30%，100目煤焦轉化了～50%；由此說明煤的顆粒大小對熱解后焦的形成及焦-CO2氣化反應有較大的影響。

圖1 焦-CO2氣化反應碳轉化率與時間的關系

Random pore model是由 Bhatia and Perlmutter[4]和 Gavalas[5]提出的用于描述焦氣化反應動力學與顆粒孔結構之間關系的動力學模型。由于這個動力學模型能很好的描述氣化過程中顆粒孔結構的變化，從而得到廣泛的應用[4]。

式中，k為反應速率常數，ψ為焦炭的結構參數。

采用隨機孔模型對不同粒徑下的焦-CO2氣化反應進行描述。動力學計算模擬如圖2所示，動力學參數如表2所示。

圖2 隨機孔模型擬合煤焦-CO2氣化反應圖

由圖2可知煤焦-CO2氣化反應函數擬合中，有一些隨機孔模型的函數曲線基本是一條直線。結合表2可知，隨機孔模型的函數擬合結果是直線，這主要是因為隨機孔模型中的煤焦結構參數ψ即為負值；由公式ψ的計算可知，ψ值定為一個正數。超越了邊界值，公式中的（根號下面的那個公式）變為0，此時，隨機空模型變為均相反應模型。高灰分對氣化過程煤焦的孔結構演變影響很大，導致過程中煤焦孔結構變化不遵循隨機孔模型的規律。

表2 隨機孔模型擬合煤焦-CO2氣化反應參數

結語

本文討論了隨機孔模型描述了不同粒徑煤焦下與CO2的氣化反應，發現隨機孔模型模擬計算中煤焦結構參數為0，說明隨機孔模型不能很好的用于高灰分含量煤焦氣化動力學的計算。