煤部分气化与半焦燃烧集成特性研究
王俊琪++杨战民++张小明
摘 要：以煤的部分气化为基础煤部分气化集成半焦燃烧系统具有系统简单、投资小、煤种适用性广的优点，近年来应用日益广泛。本文基于煤分级转化的思想，在热重试验台上进行了煤焦完全气化和部分气化以及半焦的燃烧实验。研究显示，相对完全气化而言，部分气化集成半焦燃烧系统反应迅速，反应时间短，系统极具推广价值。
关健词：部分气化；半焦燃烧；完全气化；热重实验
1 前言
煤部分气化技术的核心思想是针对煤在不同反应阶段的不同反应特征，实施热解、气化、燃烧的分级转化以及三者的优化集成。因此，认识煤的各个反应阶段的特征是进行分级转化技术研究的第一步，只有清楚了这三个阶段的反应特点，才能进行三者的优化集成。认识各个阶段的反应特点一般从反应动力学入手，尽管热解、气化、燃烧是由很多反应组成的，非常复杂[1]，但随着反应的进行，一些变化过程还是会以动力学的形式表现出来。热分析[2-9]是进行反应动力学研究的一种主要分析手段。
一般选取典型动力用煤通过热重实验得到煤在热解、气化、燃烧不同转化阶段的TG曲线和DTG曲线，用以判断煤在这三个不同转化阶段的反应特性和影响煤在这三个转化阶段反应的因素，继而指导以后进行的煤部分气化的实验方案，寻找最优操作条件等提供依据和参考。本文重点在热重分析仪上进行煤焦的部分气化和气化煤焦的燃烧实验，研究气化反应进行的深度对半焦反应活性和最终碳转化率的影响，进一步明确煤分级转化的意义。
2 实验装置及实验样品
热重实验采用Perkin-Elmer TGA-7型差式热重分析仪，该仪器能够提供高灵敏度的热重分析。在热重实验中，试验粒径对热重分析结果有重要影响，采用较小粒径的试样则能降低传热和二次气固反应的影响，同时质量扩散的因素可忽略[8]。为此，将试样破碎至200 μm以下，选取74 ～ 100 μm进行试验分析。在减小粒径的同时，为了避免在样品内部引起温度梯度，所以在确保试验准确的前提下，要尽可能减少试验煤量，本文实验时一般选用5 mg左右样品。实验时，热重的保护气体是N2，流量为40 ml/min，反应气体的流量为60 ml/min。热解时反应气体为N2，气化时反应气体是CO2，燃烧时反应气体是O2和空气。
基于以上分析，气化反应阶段是煤分级转化的速率控制阶段[10]，为了更加清楚煤的气化行为，我们进行了煤气化的等温热重实验。实验时为了排除挥发分的影响，采用煤焦进行实验。选用兖州煤制焦，煤焦的制备借助现有的实验条件——小型流化床制焦，流化气体为N2，流化床密相区温度为900℃，干馏25 min后取出磨细至74 ～ 200 μm。煤焦的工业分析和元素分析见表1。实验时用保护气体N2将煤焦升温至950℃后切换到反应气体CO2，流量60 ml/min。
我们通常用式子α = （m0 -m）（m0 -m∞）来表示碳转化率[4，7]，m代表样品质量，下标0与∞分别代表反应初始与终止状态。
3 数据分析
3.1完全气化
经过实验发现在热重实验条件下，如图1和图2，反应温度为950℃时碳转化率达到90%需100 min左右（图1）；且随着反应的进行，气化速率达到一个最大值后迅速下降，之后随着时间的推移气化速率越来越低（如图2），碳的转化率越高，反应速率降低的越厉害，说明了煤焦在CO2气氛下气化需要高温和长的停留时间[11]。
因此以煤的完全气化为目标时，对反应的条件要求较高，且随着反应的进行，反应速率越来越小，余下的碳越来越难以转化，需要较长时间。因此进行煤的部分气化，将余下的难以转化的碳通过燃烧加以利用，可以大大缩短反应时间。
3.2部分气化和半焦燃烧
不同的操作气化条件下，碳转化率的范围也会不同。为此，选取几个比较典型的部分气化碳转化率0.3、0.5、0.7来研究部分气化煤焦的燃烧行为。试验时，采取等温热重（950℃，CO2气氛），根据反应时间来确定气化的碳转化率，达到预定的碳转化率后停止通入CO2气体，冷却后采用程序升温热重，以O2为反应介质（O2流量60 ml/min，β=30℃/min），实验的结果见图3和图4。可以看出气化反应进行的深度不同，煤焦的燃烧速率也表现出了一定的差异。未经过气化的碳（转化率为0）的反应速率最快，其次是碳转化率为0.3、0.5、0.7的焦炭，表明随着气化反应进行的程度加深，生成的半焦燃烧速率也在降低，但仍远高于气化反应的速率。向银花等人[12-13]的研究也得出了相同的结论。
3.3部分气化与完全气化的对比
图5给出了兖州煤焦部分气化、集成燃烧时碳转化率与时间的关系曲线（实验时，先通入N2升温至950℃，切换至流量为 60 ml/min 的CO2反应气体至预定的碳转化率，再通入流量为 6 ml/min的O2）， 可以看出采取部分气化、集成燃烧后，达到相同的碳转化率反应时间大为减小，反应时间的长短排序依次是：完全气化、70%气化、50%气化、30%气化、完全燃烧。由图5可以看出，随着碳转化率的增加，半焦燃烧所需要的时间逐渐增加，但增加幅度不大，转化率为70%的半焦燃烧所用的时间也只有10 min左右。由此可见气化时的碳转化率是我们进行部分气化时一个比较关键的因素，部分气化的碳转化率越高，对反应的条件可能会要求越高。
从图3和4可以看出，虽然半焦的燃烧速率上存在一定的差别，但半焦的起始着火点和最终碳转化率差别不大。这表明煤的部分气化、集成燃烧与完全气化相比，反应时间大为减小；与完全燃烧相比，碳的最终转化率差别不大，而完全气化则需要高温和较长的停留时间，这进一步验证了部分气化技术的工艺性优点。
4 结论
（1）实验结果表明，相比热解和燃烧，气化反应发生的速率相对较低，发生的条件也需要高温和较长的停留时间。
（2）煤部分气化时随着气化反应程度的加深，煤焦的燃烧速率降低。部分气化集成燃烧实验表明，部分气化碳转化率比例越高，反应所需的时间也越长；但部分气化集成半焦燃烧所需的反应时间较完全气化相比则大大缩短。
（3）实验证明了部分气化技术的工艺优点，碳转化率是进行部分气化集成燃烧的一个重要因子，为此必须通过实验确定不同气氛和不同操作条件下的碳转化率范围。
参考文献
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