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1、用滴管炉研究煤等物质的气化过程2232013周志杰吴星煜1009446309级热能与动力工程能源化工系资源与环境学院等物质的气化过程用滴管炉研究煤等 用滴管炉研究煤等物质的气化过程摘要本文对煤和石油焦的快速热解和高温水蒸气气化进行了研究，考察热解和气化气体释放规律、热处理和气化过程中焦的结构和气化活性变化。以我国不同煤阶的3种典型煤样(内蒙褐煤、神府烟煤、遵义无烟煤)作为实验原料，分别采用经筛选后得到的三种粒度分布的煤粉进行比对实验。采用滴管炉对煤样进行热解和气化，热解及气化后的产物再结合工业分析仪、元素分析仪、灰熔点分析仪、X射线衍射仪、气相色谱仪等设备对其进行分析比对。目录第一章 选题背景
2、及意义21.1选题背景21.2选题意义3第二章 文献综述52.1煤气化概述52.1.1固定床气化52.1.2流化床气化52.1.3气流床气化52.2煤气化动力学62.2.1煤气化主要反应62.2.2煤气化反应机理62.3影响煤焦气化反应的因素72.3.1煤阶72.3.2热解条件72.3.3气化条件82.4煤气化研究实验仪器82.4.1热重分析仪82.4.2丝网反应器92.4.3滴管炉9第三章 技术路线103.1实验内容103.1.1实验原料103.1.2实验装置103.2滴管炉的操作113.2.1具体实验操作步骤113.3实验过程及条件113.3.1 煤和石油焦的高温快速热处理实验113.3.
3、2 煤焦和石油焦的水蒸气气化实验11四 参考文献12 第一章 选题背景及意义1.1选题背景近年来，我国经济保持了持续稳定的高速增长。经济的高速增长是以能源消费的快速增长为基础的，2010年中国一次能源生产总量达到29.6亿吨标准煤(tce)，比2006年的一次能源生产总量23.22亿吨标准煤提高了27.5%；人均能源消费水平从2006年的1.97吨标准煤增长到2.38吨标准煤。国家统计局发布的中华人民共和国2010年国民经济和社会发展统计公报表明：2010年我国原煤产量32.4亿吨，同比增长8.9%，煤炭消费量同比增长5.3%。20012010年我国能源的生产和消费结构见表1-1、表1-21
4、煤化工设计基础M。表1-1 20012010年中国能源生产结构 Energy production structure in China 单位：%年代能源生产总量/万吨标准煤原煤原油天然气水电、核能、风能200114387573.016.32.87.9200215065673.515.82.97.8200317190676.214.12.77.0200419664877.112.82.87.3200521621977.612.03.07.4200623216777.811.33.47.5200724727977.710.83.77.8200826055276.810.54.18.6200927
5、461877.39.94.18.7201029900077.49.74.38.6 表1-2 20012010年中国能源消费结构 单位：%Energy production structure in China 年代能源生产总量/万吨标准煤原煤原油天然气水电、核能、风能200115040668.321.82.47.5200215943168.022.32.47.3200318379269.821.22.56.5200421345669.521.32.56.7200523599770.819.82.66.8200625867671.119.32.96.7200728050871.118.83.36
6、.8200829144870.318.33.77.7200930664770.417.93.97.8201032500069.919.14.46.6从表1-1、表1-2可以看出，中国能源结构的基本现状仍将以煤炭为主，石油、天然气、水电比重较低，新能源发展处于起步阶段。中国能源生产供应的总发展趋势是 ： (1)在未来20-30年，中国能源生产供应量随消费需求将有显著增长。(2)作为世界能源生产与消费大国，中国能源供应将以立足国内为主，国际能源贸易作为重要补充。(3)煤炭在未来几十年一次能源结构中仍将占有主要比重和地位。而很长一段时间煤炭的利用多是直接燃烧，或者燃烧后将热能转化为其他形式的能量加以
7、利用，这样不仅导致能源效率低下，而且煤炭的粗放式开发利用对环境的影响越来越严重。目前，中国大气污染物中烟尘排放的70%中SO2占90%、CO2占80%，NOx占70% 。70% 80% 以上的汞也主要来自煤炭直接燃烧排放的烟气3 步学朋，徐振刚，李文华，等 中国活性焦烟气净化研究分析J 洁净煤技术， 2010， 16( 2) : 67 71，其原因主要是缺乏煤炭利用的高效、低排放技术和设备。开发应用煤炭现代开采和洁净转化技术，实现资源的安全、搞笑开采和利用，推动煤炭工业的可持续发展，为国民经济和社会发展提供清洁、可靠地能源保障，任重而道远。2 煤洁净转化工程 1.2选题意义洁净煤技术(clea
8、n coal technology 简称CCT)的含义是：旨在减少污染和提高效率的煤炭加工、燃烧、转化和污染控制等新技术的总称。20世纪80年代初期美国和加拿大为了解决两国边境酸雨问题提出了该技术。我国在该领域的起步较晚，但也取得了很好的成绩，如自主研发了多喷嘴对置式气化炉，灰熔聚技术气化炉4 苗真勇, 韩甲业, 应莹. 美国煤气化工艺现状及对中国气化技术的启示J. 煤炭工程, 2007(10): 97-99.，新式两段炉等。煤气化技术作为洁净煤技术的核心，从气化炉类型来分主要是三种：固定床、流化床和气流床气化技术.由于固定床污染严重，效率较低已被逐渐淘汰。所以常用的主导技术是流化床技术和气流
9、床技术，两者皆是在较高的温度和较短的停留时间（有些甚至高压）下完成煤的气化过程。煤气化反应动力学研究是煤气化基础研究的很重要的研究内容之一。煤气化反应动力学主要是考察不同煤种的气化反应性，建立煤的气化反应速率与影响其气化反应速率的因素之间的关系，进而获得不同煤种的气化反应动力学参数，从而为气化炉的设计和模拟计算提供基础数据。目前实验室研究煤焦热解和气化特性多是在较低温度、煤样静止堆积在坩埚或床层条件下进行的，这与工业气化炉的高温高压、短停留时间、气固相充分接触、动态连续的快速气化条件有显著的差异。为了获得在接近工业气化炉装置条件下煤和石油焦的高温热解和气化反应特性基础数据，为实际工业气化炉的设
10、计和模拟提供理论依据，本研究采用自主搭建的滴管炉进行实验, 利用其高温、高升温速率、短停留时间的反应特性，并借助TG-DSC同步热分析仪、工业分析仪、元素分析仪、X-射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、比表面积及孔隙度分析仪(ASAP2020)、红外光谱仪(IR)等先进的实验仪器对煤和石油焦的快速热解及气化过程中的结构及反应特性进行研究。第二章 文献综述2.1煤气化概述煤气化是指煤与氧气(空气或纯氧)、水蒸气或氢气等气化剂，在一定温度及压力下发生一系列化学反应，固体煤转化为含有CO、H2、CH4等可燃气体和CO2、N2、H2S等非可燃气体的过程。煤气化技术是洁净煤技术中优先考虑的一
11、种工艺方法，能够实现节能省煤、提高煤炭利用率、改善环境污染、促进化学合成工业发展的重要途径5 张德祥, 陈秀, 赵玉兰等. 煤化工工艺学M. 煤炭工业出版社, 1999。煤气化技术按煤在气化炉内的状态分为固定床(移动床)气化、流化床气化、气流床气化。2.1.1固定床气化固定床气化也称移动床气化。固定床一般以块煤或煤焦为原料。煤由气化炉顶加入，气化剂由炉底送入。流动气体的上升力不致使周体颗粒的相对位置发生变化，即同体颗粒处于相对固定状态，因而称为同定床气化。固定床的特点是简单、可靠。同时由于气化剂与煤逆流接触。气化过程进行得比较完全且使能量能得到合理利用，因而具有较高的热效率。该工艺以无烟块煤为
12、原料，该煤种价格较高，来源受到限制，同时原料利用率低，能耗高，使生产成本较高，这也是该技术的最大不足。其次，造气采用常压、问歇气化，使装置大型化受到限制同时由于设备连续运行时间短，使装置检修工作量大，而且一般采用2台或更多的备用炉。而且，装置环境污染较大，现场粉尘量较大，操作环境差，工艺相对落后。2.1.2流化床气化流化床气化又称沸腾床气化。它以小颗粒煤为气化原料，这些小颗粒煤在自下而上的气化剂的作用下，保持着连续不断的混合和热交换并始终处于悬浮状态。流化床气化能得以迅速发展的主要原因在于：生产强度较固定床大、直接使用小颗粒碎煤为原料，适应采煤技术发展、对煤种煤质的适应性强，可以利用如褐煤等高
13、灰劣等煤作原料。有代表性的的流化床气化技术有常压的德国Winkler气化工艺，加压条件下的高温温克勒气化工艺HTW、美国的U-Gas气化法、KRW气化工艺等。2.1.3气流床气化气流床气化是一种并流式气化。气化剂(氧与蒸汽)将煤夹带人气化炉，在l5001900高温下将煤进一步转化CO、H2、CO2等气体，残渣以熔渣形式排出气化炉。也可以粉制成煤浆，用泵送人气化炉。在气化炉内，煤炭细粉颗粒与气化剂经特殊喷嘴进入反应室，会在瞬间着火，直接发生火焰反应，同时处于不充分的氧化条件下。因此，其热解、燃烧以及吸热的气化反应几乎是同时发生的。随气流的运动，未反应的气化剂、热解挥发物及燃烧产物裹挟着煤焦粒子高
14、速运动，运动过程中进行着煤焦颗粒的气化反应。气流床气化工艺具有显著的优点，包括：煤种适应范围较宽；产品气可适用于化工合成，制氢和联合循环发电等；2.2煤气化动力学煤气化动力学研究采用的基本方法是数学模拟法，就是建立起反应动力学模型，通过实验采集数据，用模型对数据进行计算机拟合，已达到优化模型的最佳效果。在研究煤气化动力学过程中，我们主要考察扩散(传质)对反应的影响，兼顾传热，一般不用考虑传能的问题6 应用化工动力学2.2.1煤气化主要反应煤气化，就是将煤与气化剂(如空气、氧气、二氧化碳或水蒸气等)在一定温度和压力下进行反应，使煤中可燃部分转化成可燃气体(如一氧化碳、氢气和甲烷等)的工艺过程，即将煤中的有机质最大限度地转变为有用的气态产品。煤气化过程分为两步：一是煤在高温下热解脱除挥发分生成煤焦；二是煤焦与气化剂反应生成煤气。煤焦的气化过程远比成焦过程慢，原煤的气化反应可看作煤焦的气化反应。煤气化主要进行的反应有： H=+159.7KJ/mol (2
