氢气存在下煤焦水蒸气气化： II 修正随机孔模型的建立

采用热天平对神府煤1200℃快速热解焦进行常压水蒸气/惰性气气化及水蒸气/氢气气化。考察神府煤焦在875℃~950℃时与水蒸气/惰性气的气化反应和水蒸气/氢气的气化反应特性,两者的特征曲线明显不同。不加氢的水蒸气气化反应速率随碳转化率的增加缓慢而均匀地下降;加氢水蒸气气化反应速率随碳转化率的增加先迅速降低,而后降低较缓慢。此种形式的气化曲线以往的动力学模型很难进行模拟,研究根据随机孔模型提出了一个新的气化动力学模型。此模型拟合的数据与实验数据比较,证明了修正的随机孔模型可以更好的模拟煤焦的加氢水蒸气气化,相关系数达到0.996以上。用修正模型求得的神府煤焦加氢水蒸气气化的活化能为251.990kJ/mol,指前因子为5.97877×10⁹min^-1。     

氢气存在下煤焦水蒸气气化:Ⅱ修正随机孔模型的建立

采用热天平对神府煤1200℃快速热解焦进行常压水蒸气／惰性气气化及水蒸气／氢气气化。考察神府煤焦在875℃～950℃时与水蒸气／惰性气的气化反应和水蒸气／氢气的气化反应特性,两者的特征曲线明显不同。不加氢的水蒸气气化反应速率随碳转化率的增加缓慢而均匀地下降;加氢水蒸气气化反应速率随碳转化率的增加先迅速降低,而后降低较缓慢。此种形式的气化曲线以往的动力学模型很难进行模拟,研究根据随机孔模型提出了一个新的气化动力学模型。此模型拟合的数据与实验数据比较,证明了修正的随机孔模型可以更好的模拟煤焦的加氢水蒸气气化,相关系数达到0．996以上。用修正模型求得的神府煤焦加氢水蒸气气化的活化能为251．990kJ／mol,指前因子为5．97877×10^9min^-1。     

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。     

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。     

水蒸气气氛煤中温催化气化动力学研究

以碳酸钾为催化剂,用热天平的等温热重法研究了四种不同变质程度煤焦常压下水蒸气催化气化反应动力学。在加和不加碳酸钾条件下,测定了温度为700~850℃煤焦的化学反应控制条件下的碳转化率与时间的关系。碳酸钾催化剂的加入对变质程度越高煤的气化催化作用越大。加碳酸钾的碳转化率与时间的关系用混合模型和修正随机孔模型可以良好的拟合关联,均相模型关联较差。利用修正随机孔模型拟合关联出了四种煤焦催化水蒸气气化反应的活化能和指前因子,活化能为90.317~167.861kJ/mol,指前因子和活化能之间具有补偿效应。     

神府煤焦与水蒸气、 CO2气化反应特性研究

采用高温微量热天平和自制水蒸气发生装置进行神府煤焦与水蒸气和CO2气化实验,考察热解速率、不同气化剂(CO2和水蒸气)以及温度对气化反应的影响.用扫描电镜和吸附仪测定煤焦的初始结构.两种煤焦孔径为2 nm～170 nm的孔占总孔容的90%以上.神府快速煤焦(FP)与水蒸气气化活性比慢速煤焦(SP)高4.16倍,FP比SP挥发分脱除快,破坏其孔结构,减少缔合机会和二次反应.SP的BET比表面积为1.077 7 m2/g,FP的BET比表面积为1.893 9 m2/g.SP与水蒸气气化活性是CO2的9.94倍,FP与水蒸气的气化活性是CO2的7.15倍,水蒸气比CO2气化时进入的孔径范围广及水蒸气比CO2更容易解离.同种煤焦与水蒸气和CO2气化时的气化速率与转化率之间的趋势相近.用随机孔模型拟合并求取反应动力学参数,温度对SP与水蒸气、CO2反应速率,以及FP与水蒸气反应速率影响相似,而对FP与CO2反应速率影响明显比前三个反应要小.     

热解过程中煤焦微晶结构变化及其对煤焦气化反应活性的影响

利用XRD技术考察了热解温度及升温速率对煤焦微晶结构的影响；使用Shi等的方法计算了煤焦微晶结构参数，获取了950℃～1400℃气化炉下煤焦微晶结构的特征及变化规律；结合热重分析得到了热解温度相关参数影响煤焦气化活性的机理。研究表明，热解温度升高，堆垛高度（Lc）明显增大而微晶尺寸（La）变化不大，说明煤焦基本晶格单元主要是进行纵向的接合缩聚，而晶格并没进行明显的内部生长，煤焦的微晶结构随热解温度的提高向有序化发展，但没达到石墨化的程度；慢速热解煤焦的气化反应活性明显低于相同温度下快速热解煤焦，慢速热解中，由于煤焦在高温下停留时间较长，而使煤焦微晶进行结构重整而变得更加有序，芳香单元失去边缘活性位，煤焦气化活性降低。     

不同彬县焦的水蒸气气化反应动力学研究

在常压,900℃～1050℃考察了彬县煤的三种焦样（常规方法制焦、快速热解焦和脱灰快速热解焦）在热天平上的水蒸气气化反应。考察了温度和焦种对水蒸气气化反应的影响。对比了三种焦的动力学参数和比表面积。结果表明,气化温度是影响煤焦气化反应速率的主要因素,提高50℃,反应速率增加一倍。快速热解焦的反应速率在相同反应条件下明显大于慢速焦。三种焦的表观活化能以快速焦最大,因而反应速率受温度的影响也最大,快速脱灰焦次之,慢速焦最小。     

煤快速热解焦的微观结构对其气化活性的影响

在滴管炉内对中国三种不同煤阶的典型煤种在800~1 400 ℃进行快速热解实验,利用XRD和氮气气体吸附法对所得煤焦进行微晶结构和孔隙特征分析,在热重分析仪上进行CO₂气化反应活性的测定,研究不同热解温度煤焦结构特性与气化活性之间的关系。结果表明,随着热解温度的升高,内蒙古褐煤焦和神府烟煤焦的比表面积在1 200 ℃达到极大值,但气化活性却相对较低;遵义无烟煤焦在800~1 200 ℃气化活性逐渐提高,但比表面积在900 ℃达到极大值,表明煤焦比表面积与气化活性不存在严格关联。煤焦碳微晶结构变化所反映出煤焦石墨化进程与煤焦气化活性随热解温度的变化具有一致的变化趋势,表明快速热解煤焦的碳微晶结构变化对煤焦气化活性的影响更大。     

宁东煤灰层/熔渣界面煤焦气化反应特性原位研究

以典型宁东煤-羊场湾煤为气化原料,采用热重分析仪和高温热台显微镜原位研究了1100、1200、1300℃下煤焦颗粒及其在灰层界面和熔渣界面的气化反应。结果表明,不同气化温度下灰层界面和熔渣界面的形态变化是影响煤焦颗粒气化反应性的主要因素。气化温度为1100℃,灰层在高温下收缩并包裹在煤焦颗粒表面,阻碍气化剂与煤焦颗粒的接触,使煤焦颗粒气化反应速率降低,而熔渣界面未发生明显变化,其界面处煤焦气化反应速率不变。气化温度为1300℃,灰层界面与熔渣界面均转变为液态,在表面张力作用下煤焦颗粒破碎,有效反应面积变大,传热速率增大,进而提高了煤焦的气化反应速率。     

煤炭地下气化反应动力学特性的研究

煤炭地下气化过程中，高温的碳与二氧化碳和水蒸气发生的非均相反应决定了出口煤气的组分和热值。鉴于此，在煤焦与CO2和H2O（g)反应活性实验的基础上，研究了唐山刘庄煤焦与CO2和H2O（g)气化反应的动力学特性，确定了其化反应的速率表达式，得出其反应活化能分别为140．41kJ/mol和171．53kJ/mol。实验结果表明，还原带温度在1000℃-1100℃时，CO2具有较高的还原主;温度达1000℃时，H2O（g)分解可视为不可逆反应，且生成CO的反应速率明显大于生成CO2的反应速率，出口煤气组成中CO的浓度为CO2的7倍多，在上述工作的基础上，建立了“收缩反应核”模型，并分析了多相化学反应速度与温度的关系。     

煤催化气化中非均相反应动力学的研究

以神木煤焦为研究对象,在小型加压固定床上考察了不同气化剂(水蒸气、二氧化碳、氢气)、催化剂负载量、水蒸气分压、氢气分压和一氧化碳分压对碳转化率和气化反应速率的影响。结果表明,对于非均相的催化气化反应来说,反应速率顺序为C-H2OC-CO2C-H2。H2和CO不同程度地抑制煤焦水蒸气气化反应,CO的抑制作用明显大于H2。在700℃,当添加5%的CO,碳转化率降低约50%。基于Langmuir-Hinshelwood(L-H)方程,结合随机孔模型,同时考虑催化剂负载量及气化产物分压的影响,建立了煤焦催化水蒸气气化动力学模型,模型预测反应速率常数与实验值误差在10%以内,说明建立的动力学模型可以较好地模拟煤焦的催化水蒸气气化反应过程。     

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。     

石油焦高温气化反应性

常压，1 200 ℃～1 500 ℃，在自制管式反应器中，以二氧化碳为气化介质，研究了石油焦以及石油焦与后布连煤焦掺混后形成的混合焦的气化反应性，借助于XRD分析了高温处理后石油焦与煤焦在碳结构有序化方面的区别。研究结果表明，当碳转化率高于0.7，气化超过1 300 ℃，石油焦的反应速率出现急骤下降，气化温度越高，相应石油焦速率下降越快。混合焦气化反应性既不同于纯石油焦也不同于纯煤焦。随石油焦掺入比变化而改变的拐点主要源于石油焦与煤焦的反应性之间差异。较高转化率下出现的拐点，主要源于石油焦本身随气化温度提高导致气化速率下降。XRD测定显示，高温处理后石油焦中碳有序化程度要明显高于煤焦。高气化温度下石油焦碳结构发生明显有序化是导致其反应活性急剧下降的重要原因。     

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.     

生物质半焦与煤混合气化协同作用的动力学研究

在热重分析仪上进行了稻秆半焦和神府煤与CO₂非等温混合气化实验,升温速率20℃/min,终温1200℃。实验结果表明,两种燃料在热解阶段符合加权计算规律,但是在超过800℃的高温气化阶段具有显著的协同作用。与不考虑协同作用的计算结果相比,添加稻秆半焦的煤焦气化反应速率提高,气化反应结束温度降低26℃,最大失重速率提高22%。协同作用的主要原因是稻秆半焦中碱金属具有催化作用,通过动力学分析表明混合气化活化能比煤焦单独气化要低。     

含油污泥与配合煤共热解煤焦的微观结构与气化反应特性

以含油污泥与配合煤为原料在850-1150℃热解制得焦样,采用N_2吸附-脱附和X射线衍射(XRD)分析煤焦孔隙结构及碳微晶结构,并运用热重分析(TGA)考察热解温度和含油污泥添加量对煤焦气化反应活性的影响。结果表明,提高热解温度和添加含油污泥能促进煤焦形成更加丰富的孔隙结构,强化煤焦-CO_2气化反应接触并抑制煤焦石墨化进程,从而提高煤焦气化反应活性;然而,热解温度过高或添加油泥量过多则会致使煤焦结构致密或孔隙堵塞,气化反应活性反而降低。