第29卷第3期西安科技大學學報Vol 29 No. 32009 45 A JOURNAL OF XI' AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYMay. 200文章編號:1672-9315(2009)03-0352-06雙熱源煤新型氣化機理研究田玉仙,王曉剛2,張亞平,吳敏煥',王喜蓮',強軍鋒!,田欣偉(1.西安科技大學理學院陜西西安710054;2.西安科技大學材料科學與工程學院陜西西安710054)摘要:以煤和石英砂為原料,在自制雙熱源煤新型氣化爐上實現(xiàn)了煤炭新型氣化,測試了氣化產(chǎn)物,從氣化原料的高溫結(jié)構相變和氣化反應過程熱力學分析出發(fā),研究了煤新型氣化機理。結(jié)果表明:雙熱源煤新型氣化的產(chǎn)物除了富含Co的煤氣外,還包括大量SiC副產(chǎn)品,其晶相以3C-siC(77.99%)和6H-SiC(19.28%)為主,煤氣中可燃氣體濃度為86.9%~90.5%,產(chǎn)率5.0m3/h;氣化爐內(nèi)不同溫區(qū),煤氣產(chǎn)生原理不同,0~1400℃溫區(qū),煤氣主要來源于原料干燥和煤熱解反應,1400-2600℃溫區(qū),煤氣主要來源于多孔焦碳與SiO2a,S0O2s及中間產(chǎn)物Si0s的電熱還原反應,同時伴生副產(chǎn)品SiC;各氣化反應階段所產(chǎn)煤氣總量為該時刻所有溫區(qū)所產(chǎn)煤氣總和。關鍵詞:煤炭氣化;反應機理;多熱源;氣化爐;碳化硅中圖分類號:TQ53文獻標志碼:A中國是一個煤資源較為豐富的國家煤的年產(chǎn)量在10億t以上,在一次能源消費中占72%左右,其中大部分是直接燃燒用于電力工業(yè)和運輸行業(yè),不僅能源利用率低下,而且會釋放大量SO2,CO2,煙塵和NO,嚴重污染環(huán)境。以“煤氣化為基礎的多聯(lián)產(chǎn)技術”,是實現(xiàn)煤炭潔凈、高效開發(fā)與利用的途徑口。然而我國煤氣化比重較低,且整體氣化技術比較落后。開發(fā)新的煤炭氣化方法,盡快形成有自主知識產(chǎn)權的煤氣化技術迫在眉睫。課題組在多年從事煤炭潔凈轉(zhuǎn)化研究中,以煤、石英砂、電為基礎資源,在自行發(fā)明的雙熱源煤新型氣化爐上實現(xiàn)了煤的氣化,并得到了四高SiC副產(chǎn)品23。文中用雙熱源煤新型氣化法將陜北低變質(zhì)煙煤變成了富含CO煤氣,并結(jié)合原料的高溫結(jié)構相變,從爐內(nèi)氣化反應過程熱力學出發(fā),研究了氣化機理。實驗表1煤質(zhì)分析Tab 1 Technical analysis of bituminous業(yè)分析/%(F C14.03實驗采用自行發(fā)明的雙熱源煤新型氣化爐(圖1),爐膛體積740mmx560mmx1140mm,裝料量約300kg,雙石墨矩形爐芯,尺寸為40mm×40mmx60mm,供電功率30~35kW,集氣裝置為自制高分子復合材料集氣罩,送電前集氣罩頂部距爐表580mm,實驗原料有石英砂和陜北低變質(zhì)煙煤。石英砂純度99%,粒度0~5mm,煤粒度0~4mm,煤質(zhì)分析見表1。按碳硅比067配料后球磨混合120mn直接裝爐氣化。煤氣由排氣管引出后直接燒掉。定時釆集煤氣,用中國煤化工璃轉(zhuǎn)子流量計CNMHG收稿日期:2008基金項目:國家自然科學基金項日(50174046作者簡介:田玉仙(1970-),女,重慶市人,副教授博士生,主要從事礦物加工利用研究第3期田玉仙等:雙熱源煤新型氣化機理研究353分別對氣體組分和氣流量進行分析用“U型”壓力計在線監(jiān)測爐壓,使之始終處于微正壓狀態(tài),用D/max-2400型X射線衍射儀測定副產(chǎn)品SC晶相,用掃描電鏡觀察SC的形貌。2結(jié)果與分析圖1實驗裝置2.1雙熱源煤新型氣化產(chǎn)物Fig. 1 Experimental apparatus表2煙煤全新料氣化后煤氣成分Tab2 Gas composition of new bituminous material時間/hCO,+ NH3Hz53,90.530.80.731.3一全新料培燒料焙燒料會新料12132345678910111213時間/h時間/h圖2焙燒原料對煤氣有效成分影響Fig. 2 The effect of roasting material on gas compositio(a)co(b)CO+H2(c)CO+H,+CH4雙熱源煤新型氣化產(chǎn)物有2種:主產(chǎn)品煤氣和副產(chǎn)品SiC.從表2可知,低變質(zhì)煙煤全新料氣化后所得煤氣主要由CO組成還含有一定量的H2,CH4以及微量的CO2,N2,O2NH3全新料氣化,整個氣化反應期間CO濃度介于475%E3.5612%,H2的濃度介于23.2%~31.3%,CH4的濃度介于61%6-8.1%,化工原料氣(CO0+H1)的濃度介于788%~81.24%,可燃性氣體濃度介于86.9%-90.5%。而采用焙燒料(原料先在1000℃下焙燒后再氣化)氣化(圖2),煤氣基本成時間h分不變,但其CO濃度比全新料法高,H2的濃度略有下降,煤氣有效組分濃度增加。可見氣化工藝對煤氣有效組成有較大圖335kW氣化爐煤氣產(chǎn)率Fig 3 Gas flux of 35 kW coal gasifier影響。圖3為微正壓下(平均爐壓32kPa)實測煤氣流量。中國煤化工流量在很短時間內(nèi)迅速升至穩(wěn)定值,反應中期變化較小整個氣化過程中煤穩(wěn)定性。如果氣化時采用“循環(huán)”生產(chǎn)模式,即至少4臺氣YHa氣產(chǎn)率有一定的CNMHG化、冷卻和拆爐過程在爐組內(nèi)4臺氣化爐上循環(huán)進行,即可實現(xiàn)煤氣的連續(xù)生產(chǎn)拆妒后發(fā)現(xiàn)爐芯外圍有一近似橢圓的結(jié)晶筒。用肉眼看,結(jié)晶筒中心是黑色疏松狀石墨,為爐芯材354西安科技大學學報2009年料,從爐芯邊緣到結(jié)晶筒外圍,顏色由黑亮逐漸向灰黑、灰色40a6H-SC過度,分層明顯越靠近爐芯,產(chǎn)物越致密。距爐芯邊緣2~34H-SC+3C-siCcm處取樣作XRD分析,結(jié)果見圖4。從圖4可以看出,氣化副產(chǎn)物為SC,含量為9837%,其200中3C-SC占7.99%,6H-SC占19.28%,4H-SiC占1001.1%,SiO2占0.93%,雜質(zhì)、非晶相和未檢出物質(zhì)占0.7%。爐芯周圍產(chǎn)品晶型以3C為主,說明此處溫度不太高。肉眼觀察所生成SC晶體顏色黑亮,但顆粒尺寸均小于1mm,從SEM圖4副產(chǎn)品的XRD譜照片(圖5)可以看出,氣化時間為15h時,低變質(zhì)煙煤氣化副Fig 4 XRD of byproduct產(chǎn)品SC為半自形與板狀混合結(jié)晶,其中半自形結(jié)晶占多數(shù),結(jié)晶較致密;而25h氣化副產(chǎn)品SiC多為六方板狀結(jié)晶,晶面、晶棱不但規(guī)則,而且清晰可見,由一些片狀相同的網(wǎng)面平行排列,形成密排的堆垛狀SiC板,其中還有部分沿不同方向堆砌,形成塊狀和粒狀的多晶聚合體,結(jié)構較疏松。2.2雙熱源煤新型氣化機理探討圖5副產(chǎn)品的SEM照片氣化爐爐體狹長,爐長方向情況基本相同,熱量傳遞Fig 5 SEM of byproduct(a)15h(b)25h主要是在垂直于爐長方向的平面內(nèi)進行。從圖1可以看出,爐芯周圍煤和石英砂直接接觸,爐芯通電發(fā)熱產(chǎn)生的熱量會通過原料由近及遠地傳輸;同時,氣化爐內(nèi)有氣態(tài)物質(zhì)存在,隨氣化反應進行,爐壓增大,高溫氣體通過物料間隙向集氣空間擴散,與爐芯外圍低T<200℃200℃