添加CaO的准东煤中温水蒸气气化特性的研究

以内在碳捕集气化为背景,利用加压热重分析仪开展CaO对准东煤中温(700-750℃)水蒸气气化反应动力学特性的影响研究,采用氮气吸附仪对准东煤焦的比表面积进行测定,并对煤中不同赋存形态碱金属含量采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)进行测定。结果表明,准东煤中的可溶性碱金属元素能有效催化气化反应,引入的二氧化碳吸收剂CaO与碱金属间表现出协同催化作用。水洗后的准东煤焦活性最高,添加CaO后的气化活性最好。Ca/C物质的量比对准东煤气化特性的影响研究表明,CaO的添加存在饱和量,Ca/C物质的量比为1.0较为合适。利用均相模型(HM)、缩核模型(SCM)以及修正体积模型(MVM)对反应动力学实验数据进行拟合,结果表明,修正体积模型可以较好地体现添加CaO的准东煤中温水蒸气气化反应动力学特性,由此获得反应活化能为160.90 kJ/mol。     

煤焦催化气化活性位扩展模型的研究

针对煤催化气化反应中传统的煤气化动力学模型不再适用或应用范围受到限制的现实，从催化作用机理分析入手，以煤焦CO2催化气化为研究对象，建立了描述气化反应速率与转化率关系的动力学模型——活性位扩展模型。并以KCl催化剂及K-Ni(10%Ni)复合催化剂作用下神府煤焦CO2气化的实验结果对模型进行验证。结果表明，活性位扩展模型很好地体现了煤焦催化气化的动力学规律，即催化剂的添加，有效地增大了反应界面处的活性部位和活性表面积，使气化反应在更温和的条件下快速进行；模拟值与实验值吻合较好，最大偏差10%。由于反应初期的传质阻力不可忽略，实验值与模拟值存在一定误差。     

粒径对不同煤阶煤焦气化反应活性的影响研究

选取气流床气化炉所使用不同煤阶的八种煤焦,通过多级筛分制得单分散煤粉样本,利用热重分析仪考察了气化温度、煤焦粒径对不同煤阶煤焦CO_2气化反应的影响。对比了不同碳转化率阶段下的反应差异,并讨论了高碳转化率阶段的情况。研究表明,随着煤阶的升高,煤焦碳微晶结构更为有序,其气化活性也随之降低。煤焦粒径对气化反应的影响与煤阶有关。对于无烟煤,平均粒径300μm的无烟煤煤焦转化率达到95%所需时间可达40μm煤焦的7倍;对于褐煤与烟煤,由于其孔隙结构较为发达,粒径变化对煤焦气化活性的影响并不明显。综合煤阶、气化温度、煤焦粒径对气化反应活性的影响发现,相较低阶煤,提高气化温度、减小煤焦粒径能够更有效地提升高阶煤气化反应活性。     

煤及煤焦气化过程中NOx前驱体释放规律研究

采用管式固定床反应器，在常压下考察了气化剂和气化温度对中澳两种煤及其焦气化过程中含氮化合物的释放规律。研究发现：在CO2气氛中，煤气化过程中NH3及HCN的释放规律与煤热解过程中的结果基本类似，在800 ℃产生的NH3量最多，后随温度的进一步升高而下降；煤及其焦的水蒸气气化随反应温度的升高将会产生大量的NH3，且在考察的温度区间没有下降的拐点；在煤水蒸气气化过程中，煤中的挥发分不仅能形成HCN而且对NH3的形成起重要作用；煤气化产生HCN的量随气化温度的升高而增加，与气化剂的选择无关。     

DAEM模型研究大同煤及其半焦的气化动力学

用热重法对大同煤及其在不同温度下所得的半焦在空气气氛中的气化行为进行了考察 ,并用分布活化能模型 (DAEM)对气化过程的动力学进行了解析 ,发现随着半焦中挥发分含量的减少 ,描述反应速率的Arrhenius曲线斜率逐渐接近于常数 ,即大同煤在高温区的Arrhenius曲线斜率。另外 ,通过不同煤种的对比气化实验 ,由DAEM模型所得的活化能分布曲线表明 ,当煤或半焦中挥发分量较高时 ,反应初期的活化能值变化规律不同于挥发分含量很少的半焦 ,挥发分含量越高 ,反应初期活化能的下降幅度越大。     

腐植酸型煤气化特性及动力学研究

以低活性福建无烟粉煤为原料,采用腐植酸型煤黏结剂,制得腐植酸型煤。比较研究型煤和无烟煤在常压条件下的气化动力学和气化特性。运用等温热重法,在900~1 150℃进行水蒸气气化实验,测定了型煤和无烟煤的反应速率、转化率与时间的关系,考察了常压下温度和煤样对气化反应的影响。采用积分缩核模型对实验数据进行拟合关联,得到煤样水蒸气气化反应的动力学参数。结果表明,型煤的气化反应活化能(102.0 kJ/mol)低于福建无烟煤(122.5 kJ/mol)。950℃下型煤的化学反应性(80.0%)优于福建无烟煤(33.0%)。型煤较福建无烟煤表现出更好的化学反应性,可代替优质块煤用于工业固定床煤气化。     

流化床生物质与煤共气化特性的初步研究

在热天平和流化床实验装置中研究了生物质与煤的共气化特性，采用程序升温热重法对稻秆焦、高粱秆焦、玉米秆焦和神木煤焦以及生物质焦与煤焦混合物进行水蒸气气化研究。结果表明，生物质焦和煤焦的反应活性依次增大，其顺序为高粱焦>稻秆焦>玉米焦>神木煤焦。一定温度下，生物质焦与煤焦混合物的气化碳转化率高于各自气化碳转化率的加和。在流化床气化实验中，比较了单独煤气化与稻秆/煤混合物气化的结果，实验结果表明，混合物气化碳转化率、气体中可燃组分的体积分数均高于单独煤气化，气体中CO2的体积分数低于单独煤气化CO2的体积分数。     

煤中负载氢氧化钙对催化气化和甲烷化反应的影响

以不连沟次烟煤为研究对象,在加压固定床中研究Ca(OH)_2对煤气化及负载Ca(OH)_2煤热解半焦的甲烷化反应活性。结果表明,煤中添加Ca(OH)_2能够明显促进气化反应的进行和甲烷的生成,随着气化温度的升高和负载量的增加,碳转化率增加,但负载量存在饱和点。不同的催化剂负载方式对Ca的分散有一定的影响,进而影响其催化性能。含有Ca的半焦能够明显促进甲烷化的进行,出口气甲烷含量随甲烷化温度和催化剂负载量的升高而增强。采用红外光谱分析揭示了煤负载Ca(OH)_2的离子交换机理和扩散过程,这一过程影响煤气化反应性能。     

用于煤制天然气的气化-热解耦合系统模拟研究及能量分析

大规模煤制天然气系统中气流床气化是一种重要且富吸引力的技术。对一种气流床气化-热解耦合系统进行了研究。该系统中气化炉分为两段:主要进行煤焦气化的气化段以及主要发生煤热解的热解段。采用流程模拟方法建立了耦合系统模型并与煤气化废锅系统进行了比较。同时,考察了操作条件对耦合系统气化性能的影响,提出了优化的操作条件。结果显示,气化温度1400 ℃时,耦合系统优化的蒸汽煤比为250~300 kg(steam)·t^-1(dry coal)。耦合系统的冷煤气效率为88.18%,高于气化废锅系统(84.14%),且其消耗指标均有所降低。但耦合系统的气化性能受到热解段焦油和CH₄产率很大的影响。耦合系统总体能量利用效率为92.26%,略低于气化废锅系统(93.39%),但其火用效率比气化废锅系统高2.2%。这说明通过热解-气化的耦合方式能够有效回收气化高温合成气中的显热并提高其能量品位。     

不同常压流化床煤气化方案的模型预测 Ⅰ. 模型建立及验证

为评价不同气化方案对常压流化床气化的影响，从化学动力学角度并结合化学平衡建立了流化床气化模型，该模型考虑了煤热解和气化所经历的各反应过程。模型预测结果与文献报道的试验数据吻合较好，气化组分的平方误差和在10%左右，表明该模型可以用来预测各种气化方案对常压流化床气化的气化过程、生成煤气组分和气化效率等方面的影响。     

煤焦CO_2气化反应动力学及内扩散对气化过程的影响分析

采用热重分析仪考察了气化温度(850-1 150℃)和煤焦粒径(60、505、950、1 515、2 000μm)对常压下神木煤焦气化反应的影响。在此基础上,运用体积模型、缩核模型和随机孔模型研究了煤焦常压二氧化碳气化反应动力学,分析了内扩散对煤焦气化反应的影响。结果表明,随机孔模型能够准确预测反应速率随煤焦转化率的变化。基于本征动力学数据,通过对Thiele模数、内扩散效率因子的计算,并将其与实验效率因子相比较,发现计算效率因子能够评估内扩散对初始气化反应的影响,但不能准确评估整个气化过程中内扩散对气化反应的影响。     

Kinetic models comparison for steam gasification of different nature fuel chars

The reactivity in steam of five different types of solid fuels (two coals, two types of biomass and a petcoke) has been studied. The fuel chars were obtained by pyrolysis in a fixed-bed reactor at a temperature of 1373 K for 30 min. The gasification tests were carried out by thermogravimetric analysis (TG) at different temperatures and steam concentrations. The reactivity study was conducted in the kinetically controlled regime and three representative gas-solid models, volumetric model (VM), grain model (GM) and random pore model (RPM), were applied in order to describe the reactive behaviour of the chars during steam gasification. The kinetic parameters of these models were derived and the ability of the models to predict conversion and char reactivity during gasification was assessed. The best model for describing the behaviour of the samples was the RPM. The effect of the partial pressure of steam in gasification was studied, and the reaction order with respect to steam was determined. The reactivity of the chars was compared by means of a reactivity index. Biomass exhibited a higher reactivity than coals and petcoke. However, significant differences in reactivity were observed between the two types of biomass used, which could be due to catalytic effects.     

The kinetics of gasification of char derived from sewage sludge

Gasification of char derived from sewage sludge was studied under different oxidizing atmospheres containing CO₂, O₂ or H₂O. The gasification tests were carried out in thermobalance at different temperatures and oxidizing reagent concentrations. The most efficient were the gaseous mixtures containing oxygen. The reaction took place at temperature 400–500 °C, whilst in the case of CO₂ and steam much higher temperatures (700–900 °C) were necessary to complete the conversion. Two rate models for gas–solid reaction were applied to describe the effect of char conversion on reaction rate. The shrinking core model for reaction-controlled regime was found to be the best for predicting the rate of char gasification in CO₂ and O₂ atmosphere. The experimental data for steam gasification of the char were fitted best by the first-order kinetics. The kinetic parameters estimated from the experimental data are in accordance with the literature for lignocellulosic char gasification and are the first published for sewage sludge char gasification.     

Investigation into the kinetics of pressurized steam gasification of chars with different coal ranks

The steam gasification of coal chars derived from three different ranks of typical Chinese coals was studied in a pressurized fixed-bed differential reactor at elevated pressure (up to 2.0 MPa). Three mathematical models [volumetric model (VM), grain model (GM), and random pore model (RPM)] for the gasification kinetics of different chars were validated, through which the kinetic parameters were obtained and discussed. The results show that the evolution trend of the coal char gasification rate with carbon conversion differs from coal ranks and has little change with pressure and temperature. The pressurized gasification process of the Shenmu sub-bituminous coal char (SM char) and the Jingcheng anthracite char (JC char) can be well-predicted by the RPM, while that of the Huolinhe lignite char can be better described by the VM. The pressure has little effect on the options of the reaction kinetic models for the three chars. The kinetic parameter E is almost a constant independent of pressure, while k ₀ changes with pressure, and it seems that k ₀ would be almost a constant over 1.0 MPa for SM and JC chars. The reaction order decreases with increasing the total system pressure and differs from different coal types.     

The kinetics of CO2 gasification of coal chars

The gasification reactivities of three char samples derived from coals of varying ranks (“Turów” lignite, “Piast”, and “Wieczorek” sub-bituminous coals) toward CO₂ were investigated isothermally using thermogravimetric analysis. Kinetic behavior was studied at temperatures of 900, 950, and 1,000 °C under atmospheric pressure. Conditions for the chemical-controlled regime were established at these temperatures and pressure. In this paper, four kinetic models were applied to describe the varying conversion rate: volumetric model, grain model, modified volumetric model, and random pore model. From these models, only the random pore and the volumetric models positively corresponded to nearly the entire range of experimental results. Calculated values of activation energy for study samples were in the range of 180–250 kJ mol^?1, which is in accordance with other reported data. Moreover, the obtained results confirmed the significant impact of parent coal rank on its char reactivity, offering possibilities in the approximation of coal char kinetic behavior after further more detailed studies with a larger number of samples.     

煤焦水蒸气气化动力学模型及参数敏感性研究

在热重分析仪上对小龙潭煤焦、府谷煤焦和晋城煤焦水蒸气气化过程进行了研究。使用收缩核模型、混合模型和随机孔模型模拟了三种煤焦水蒸气气化反应过程。结果表明,混合模型总体上模拟效果最好,收缩核模型和随机孔模型对低变质程度的小龙潭煤焦气化过程模拟效果不佳,但是适用于模拟另外两种煤阶较高的煤焦气化过程。求解了三种模型的动力学参数,并分析了不同模型参数出现差异的原因。同时,采用敏感性分析法定量研究了模型中的参数发生偏差时引起模型误差的大小,并通过比较发现反应速率常数k为敏感性因素,而混合模型中反应级数n和随机孔模型中孔结构参数ψ为非敏感性因素。     

随机孔模型应用于煤焦与CO2气化的动力学研究

考察970 ℃～1 165 ℃，北宿、神府、忻州、潞安煤焦与CO2在热天平中的气化反应，用恒温法进行热重分析，考察煤种、气化温度、灰分对煤焦气化的影响。用随机孔模型模拟北宿煤反应速率与碳转化率的关系曲线，与未反应芯缩核模型和混合模型模拟结果比较。在化学控制区内，实验数据用随机孔模型拟合最佳。1 066 ℃和1 165 ℃气化数据拟合的相关系数为0.99，970 ℃拟合效果较差。随机孔模型作为简单、精度高的模型可应用于煤炭气化反应中。应用此模型计算四种煤焦反应活化能、指前因子、孔结构参数、A0等动力学参数值。同一煤种气化反应温度越高初始反应速率越大，结构参数体现了孔结构变化对反应的影响，随着温度的升高值减小。     

玉米芯水解残渣热解焦气化反应性研究

利用热重分析仪研究了玉米芯及其酸水解残渣热解焦的气化反应性,重点考察了热解温度、升温速率、气化温度和气化介质(CO₂、H₂O)对残渣热解焦气化反应性的影响,并借助SEM观测了热解焦的表观形貌。结果表明,残渣热解焦的气化反应性较玉米芯热解焦有所下降;在热解温度550~850 ℃,残渣热解焦的气化反应性随热解温度提高而降低,在热解升温速率0.1 K/s下制取的热解焦,其气化反应性低于15.0 K/s下的热解焦;在气化温度850~950 ℃,提高气化反应温度和使用水蒸气作为气化介质能显著提高残渣热解焦的气化反应性;采用混合反应模型计算了残渣热解焦的气化反应动力学参数。     

流化床气化炉半焦细粉水蒸气再气化特性及动力学研究

利用热天平考察了流化床气化炉半焦细粉的水蒸气再气化特性及其动力学,并与相应的自制半焦及脱灰半焦细粉进行了比较分析.结果表明,半焦细粉的再气化反应性随着温度的升高而增加.与自制热解半焦相比,半焦细粉的反应性较高,这主要取决于比表面积的影响,而不同细粉的气化反应性差异还与其石墨化程度和灰含量有关.在此基础上,利用缩核模型对半焦细粉的再气化行为进行了模型拟合并得到了动力学参数,从而为细粉的再气化提供了一定的理论指导.