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。     

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.     

神华煤直接液化残渣萃取残渣焦气化动力学研究

在热天平上分别考察了甲苯、苯及乙醇萃取液化残渣热解焦在水蒸气和CO2气氛下的气化动力学,并对比了液化残渣热解焦在相同条件下的气化反应性。结果表明,温度是影响残渣焦气化反应速率的重要因素;超临界溶剂对残渣的萃取使得残渣焦中碳基质的有序度有所降低,并在一定程度上增加了残渣焦的孔结构,因此,提高了残渣焦的气化反应性;残渣焦孔结构不发达,可以使用化学反应控制未反应收缩核模型预测残渣焦的气化反应过程。     

中国无烟煤焦气化活性的研究——水蒸气与二氧化碳气化活性的比较

在常压和920℃~1050℃下，采用热重方法，进行了六种中国典型无烟煤焦水蒸气与二氧化碳气化活性比较的研究。结果表明，无烟煤焦与水蒸气气化反应的活性与无烟煤的煤化程度相对应，无烟煤煤化程度越高，水蒸气气化反应活性越小。无烟煤焦与二氧化碳气化反应的活性与煤中矿物质的催化作用有密切关系，煤中矿物质的催化作用越大，二氧化碳气化反应活性越大。无烟煤焦与二氧化碳气化反应活性明显小于与水蒸气气化反应活性，后者比前者大10倍左右。初步探讨了无烟煤焦与水蒸气和二氧化碳的气化机理。     

Thermogravimetric analysis of gasification reactivity of coal chars with steam and CO2 at moderate temperatures

Comparative study on the gasification reactivity of the three types of Chinese coal chars with steam and CO₂ at 850–1050 °C was conducted by isothermal thermogravimetric analysis. The effects of coal rank, pore structure, ash behavior, and gasification temperature on the gasification reactivity of coal chars were investigated. It is found that the gasification reactivity difference between different coal chars changes with reaction degree and gasification temperature, and has no immediate connection with coal rank and initial pore structure. Ash behavior plays an important role in the char reactivity, and changes with gasification temperature and reaction degree due to the variation in the compositions and relative amount. The influence of pore structure is more noticeable during a relatively moderate reaction process. The relative reactivity ratio of steam to CO₂ gasification generally decreases with the increasing temperature, and is related with the catalytic effect of inherent minerals. The characteristic parameters of the chars were analyzed, finding that the value of half reaction specific rate is approximate to the average specific rate under the same conditions. The nth-order distributed activation energy model is proposed to describe the coal char gasification process, and the results show that the activation energy increases with the increasing carbon conversion.     

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。     

气氛对神木煤部分气化煤焦再气化动力学参数的影响

在小型固定床上制备了一系列的神木煤部分气化煤焦,运用热天平分析了它们在不同气氛下的再气化动力学行为。结果表明,部分气化煤焦再气化动力学参数随部分气化煤焦气化率的变化而有规律的变化。在H2O气氛下再气化时,随着部分气化煤焦气化率的增加,活化能、指前因子与气化剂分压指数减小；在CO2气氛下再气化时,结果则有所不同,随着部分气化煤焦气化率的增加,活化能与指前因子增加,气化剂分压指数减小；无论何种气氛下再气化时,部分气化煤焦的活化能与指前因子均具有补偿效应。     

无烟煤焦气化过程中孔结构的变化及对气化反应性影响的研究

在常压、1000℃下,测定了两种不同煤化程度的无烟煤焦和一种脱灰无烟煤焦的水蒸气和CO2的气化反应性。并以N2和CO2为吸附质,测定了原煤焦的孔结构特征;以CO2为吸附质,测定了无烟煤焦在气化过程中微孔结构的变化。考察了矿物质对无烟煤焦孔结构变化的影响。结果表明,水蒸气和CO2对无烟煤焦的气化反应都有微孔的产生和扩展作用。无烟煤焦水蒸气气化反应性与煤焦的微孔比表面积成正比,但无烟煤焦CO2气化反应性与煤焦的微孔比表面积没有依存关系。煤中矿物质对无烟煤焦气化过程中孔结构的变化不产生影响。     

重油残渣焦水蒸气气化反应特性的研究

采用常压热重分析仪,研究了重油残渣焦的水蒸气气化反应性,主要考察了热解温度、升温速率、停留时间及气化反应温度、气化剂分压对重油残渣焦水蒸气气化反应的影响,并借助XRD对残渣焦进行了分析表征。结果表明,气化温度950℃,60%水蒸气分压条件下,快速热解焦比慢速热解焦的气化反应性高;随制焦温度(500~900℃)的提高及停留时间的延长,焦的气化反应性降低。气化温度是影响重油残渣焦气化反应的主要因素,在900~1 050℃,温度每提高50℃,重油残渣焦气化反应时间几乎减半;随着水蒸气分压的提高,气化反应速率增加,但当气化剂分压高于60% 时,其对气化反应影响较小。采用均相模型和缩核模型对重油残渣焦气化曲线进行模拟,结果发现,缩核模型模拟相关性较好,其活化能为195.0 kJ/mol,指前因子A₀为2.6×10⁷min^-1。     

煤中灰含量对气化反应活性的影响

本文分别以H_2O(g)、CO_2为气化剂,在固定床反应器中对沈北、大同、晋城煤进行了各种条件的气化实验。比较了在不同温度、压力及不同灰含量下各种煤焦的气化反应活性。实验结果表明,随气化温度、压力提高,各煤焦的气化反应活性均相应提高。脱灰后的大同、晋城煤焦的反应活性明显增加;沈北煤焦则是:随脱灰程度加深,其气化反应活性先降低而后增加。各煤焦水蒸汽气化反应的气相组成亦随温度的变化而变化。沈北、大同、晋城原煤焦水蒸汽气化反应的表观活化能分别为71.77kJ/mol,104.25kJ/mol,157.00kJ/mol。     

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。     

岩相及煤阶对煤的燃烧特性的影响

为了确定手选富显微组分煤及焦的燃烧特性，从显微组分和煤阶的角度用热天平的燃烧曲线研究反应性，并给出焦的活化能。煤和焦的比表面积由液氮等温吸附求得，并用扫描电镜观察了焦的表面形态。用灰色关联法分析各显微组分和煤阶对反应性和表面形态的影响。结果表明，镜质组对煤和焦反应性和表面形态均有重大影响，煤的反应性受显微组分的影响比煤焦更显著，若不考虑矿物质的影响，则各因素对煤及焦反应性影响次序为Ｖ＞Ｒ＞Ｉ＞Ｅ。     

High-pressure gasification reactivity of biomass chars produced at different temperatures

The knowledge of biomass char gasification kinetics is of considerable importance in the design of advanced biomass gasifiers, some of which operate at high pressures. In the present work the effects of pyrolysis temperature, total pressure and CO₂ concentration on the gasification of biomass chars have been studied using the thermogravimetric approach. The chars were obtained by pyrolysis in a drop tube furnace reactor at temperatures of 1000 and 1400 °C. The gasification tests were carried out in a pressurized thermogravimetric analyser (PTGA) at different temperatures, pressures and CO₂ concentrations. The reactivity measurements were conducted under the kinetically controlled regime, and three nth-order kinetic models as well as the Langmuir–Hinshelwood model were applied to determine the kinetic parameters.     

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。     

煤焦与生物质焦共气化反应特性研究

以晋城无烟煤和生物质(肉骨粉Meat and Bone Meal:MBM)为原料,在固定床上采用快速热解法制备了煤和生物质焦样。采用扫描电子显微镜结合X射线能谱分析仪(SEM-EDX)分析了煤焦和MBM焦的表面形态和组成;在热天平上采用等温热重法进行了煤焦/MBM焦混合物的水蒸气气化研究。实验结果表明,煤/MBM焦混合物的共气化实验碳转化率高于两者不存在协同作用时的计算值,这是由于MBM焦含有较多的Na、Ca等元素,这些物质对煤焦气化起到了催化作用。当对MBM焦进行脱灰处理后,其气化反应性显著下降。混合物中MBM焦的质量分数在20%~80%时,随着MBM焦含量的增加,混合物中的煤焦反应性相应提高。     

胜利褐煤半焦冷却处理对其微观结构及反应性能的影响

采用不同的冷却方式对胜利褐煤热解"热"半焦进行冷却处理,考查了冷却方式对半焦微观结构及反应性能的影响.利用特制两段新型石英反应器,在高纯氩气、400、600、800 ℃的条件下,对褐煤热解30 min制得的"热"焦,分别浸入室温、干冰及液氮环境中得到冷态半焦,然后在15%水蒸气、900 ℃、10 min的条件下对冷态半焦进行非原位气化反应.为了比较,同样热解条件下制得的"热"半焦不经冷却,通过直接切换反应气氛为15%水蒸气进行原位气化(气化条件与非原位气化相同).利用TGA、SEM、BET和Raman光谱仪对半焦反应性和微观结构进行表征和分析.结果表明,"热"焦的水蒸气原位气化半焦产率低于冷态半焦的非原位气化.冷却处理对半焦的孔结构影响较大,随着冷却速率的增大,半焦比表面积及总孔容积显著降低,但对半焦的化学结构(芳环体系和含氧官能团)的影响非常小.冷却速率越大,半焦的反应性越低,冷态半焦反应性能降低主要由于冷却对半焦孔结构造成的不可逆转的破坏.     

煤及煤焦微观结构特征与气化反应性

研究了不同煤化度煤及煤焦的微观结构及其对气化反应性的影响。结果表明,褐煤焦具有丰富的分支孔系统和较大的比表面积,并含有较多对气化有催化作用的可交换阳离子。无烟煤焦分支孔贫乏,比表面积很小。煤焦的总孔容、比表面积和芳核大小之间有很好的对应关系。不同煤化度煤焦气化反应性差异很大,脱矿物质后煤焦反应性差异显著减小,但是脱矿物质前后煤焦的反应性随煤化程度的变化趋势相似。     

Evaluation of the combustion behaviour of perhydrous coals by thermal analysis

Summary Perhydrous coals are characterized by a high hydrogen content and exhibit a modified composition and physico-chemical properties in comparison with normal coals. These modifications affect the behaviour of perhydrous coals during pyrolysis and, therefore, may have an influence on the subsequent combustion process. In this work the combustibility behaviour of a series of perhydrous coals was evaluated in order to study the effect of hydrogen enrichment during the thermal treatment of the coals in an oxidant atmosphere. To this end temperature programmed combustion tests for the coals, and air isothermal (500°C) reactivity tests for their chars, were carried out in a thermogravimetric analyser. A clear relationship between the combustion behaviour of the perhydrous coals, and the aromatic to aliphatic hydrogen ratio was found.     

催化剂添加量对褐煤焦水蒸气气化反应性的影响

在固定床反应器中研究了碱金属K和碱土金属Ca对褐煤焦水蒸气气化的催化效果,考察了煤焦的气化反应性随催化剂添加量的关系,并采用扫描电子显微镜结合X射线能谱分析仪(SEM EDX)和XRD技术分析了煤焦和焦样气化残渣的晶相组成和表面形态。实验结果表明,K的催化活性比Ca的高,煤焦的气化反应性随K和Ca添加量的增大而提高,K和Ca的负荷饱和度均为10％。添加K和Ca催化剂的原煤制焦后,K和Ca分布在煤焦的表面。原煤焦气化残渣中主要含钙铝黄长石。添加K的煤焦及其气化残渣中主要含钙铝黄长石和Ca3Si2O7,XRD没有检测到含K的晶体。当Ca的添加量从5％升高到10％时,煤焦表面有大量的CaO存在,但由于CaO发生团聚使其分散度降低。Ca添加量为10％的煤焦气化残渣中除了钙橄榄石和钙铝黄长石,还有未与矿物质反应的CaO和Ca(OH)2。     

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.