混煤焦CO2气化特性判定方法的研究

贺惠民 李启明 贾清霞

摘 要： 提出用自定义参数完全气化时间﹑稳定因子和参差指数表征混煤焦的气化特性，并利用三个参数研究了掺混煤种﹑掺混比例﹑气化温度对混煤焦恒温CO2气化特性的影响。研究结果表明：浑源煤焦中掺入贵州煤焦有利于提高煤的气化反应性，但是会造成气化反应过程变得更加不平稳，同时会导致气化反应前期和后期的分离程度加大;浑源煤焦中掺入贵州煤焦和准东煤焦后，判定参数明显改变，贵州煤焦中掺入准东煤焦后，判定参数改变相对较小;温度升高有利于混煤焦的气化反应， 并降低了气化反应前后期的分离程度，但是对气化整体过程的平稳度影响较小。

关 键 词：混煤焦;完全气化时间;稳定因子;参差指数

中图分类号：TQ 541 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）06-1257-04

Research on Judging Method for

Characteristics of CO2 Gasification of Blended Coal

HE Hui-min，LI Qi-ming，JIA Qing-xia

（State Grid Hebei North Energy Conservation Service Corporation， Beijing 100045， China）

Abstract： Complete gasification time， stable factor and jagged index were put forward to indicate the gasification characteristics of coal. The effect of coal type， blending ratio and gasification temperature on CO2 isothermal gasification of blended coal was studied. The results show that， blending Guizhou coal in Hunyuan coal can improve the activity of coal to make gasification process become more unstable and result in the difficulty during separation of gasification process. After Hunyuan coal is blended with Guizhou coal and Huaidong coal，the judgment parameters change obviously; After Guizhou coal is blended with Huaidong coal，the judgment parameters change tinily. Temperature rising is advantageous to gasification reaction of blended coal， and can decrease separation difficulty of gasification process，and temperature rising has unconspicuous effect on the smoothness of gasification process.

Key words： Blended coals; Complete gasification time; Stable factor ; Jagged index

發展煤气化技术是煤碳高效清洁利用的主要途径之一，大规模煤气化技术在我国日益受到重视，大量的气化炉投入到工业应用[1，2]。煤的气化特性与气化炉的操作和经济运行密切相关。由于我国煤种的煤质相差较大以及运输能力不足，气化炉在生成产运行过程中往往需要以混煤作为原料[3]。不同的煤种掺混气化时，由于两种单煤气化特性有一定差别，致使混煤的气化反应特性变得较为复杂，这会给气化设备的设计及运行带来困难。因此对混煤的气化特性展开研究有重要的意义。

利用合适的气化特性参数，对煤的气化特性进行准确的描述，是深入研究煤气化特性的有效方式。Tokayuki等[4]采用活化因子的概念来描述煤焦的反应活性，其定义为0.5与碳转化率达50%时所需时间的比值;何宏舟等[5]提出煤燃烧的最大比失重速率概念，采用最大失重速率与煤样干燥无灰基固定碳含量的比值来判断煤焦的气化反应性;索新良等[6]通过比较单位时间内碳转化率的大小分析了制焦条件对气化反应性的影响。

活性因子以及碳转化率描述的都是某一段时间内气化反应快慢的平均值，最大比失重速率描述的是气化反应速率的瞬时值，上述参数均能反应煤的反应活性，但是无法描述气化反应性随时间变化的规律。对于混煤气化，由于组成混煤的两种单煤气化反应速率不同，混煤的气化反应性在整个反应过程中会产生较大变化，此时，采用上述参数将无法精确的描述混煤整个气化过程。为此，本文采用了完全气化时间﹑稳定因子﹑参差指数三个参数，对不同掺混比例﹑不同煤种﹑不同气化温度的混煤焦气化反应特性进行了全面分析。

1 实验部分

1.1 实验样品

选取气化性质相差较大的三种原煤为实验用煤，分别为浑源烟煤、贵州烟煤、准东烟煤。所用煤样经磨碎、筛分后，选取粒径小于70 μm的样品，经过预实验，样品粒径小于70 μm时煤焦气化反应速率不再随粒径变化而改变。样品工业分析及元素分析如表1所示。

表1 样品的工业分析及元素分析

Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal

煤焦的气化在自行搭建的热重分析仪上进行，实验系统如图1所示，经重复性实验验证，系统误差小于1%。气化实验在常压下进行，采用CO2作为气化剂。每次实验取用（0.2±0.003）g样品，将样品均匀的平铺在坩埚底面。实验开始前，往石英管中通入10～15 minN2（1 L/min），排出石英管内的空气，然后将坩埚缓慢放入石英管中部恒温区，切换气氛为CO2（1 L/min）。气化过程中，N2和CO2分别由N2钢瓶和CO2钢瓶经减压后提供，纯度均大于99.9%。

图1 热重分析仪示意图

Fig.1 Experimental apparatus

2 混煤焦气化的判定方法

为了表征气化反应进行的程度，定义碳转化率x为：

（1）

式中：W0 —煤焦初始时刻质量，g;

Wt —t时刻煤焦质量，g;

Wash —煤样焦中灰分质量，g。

通过公式（1）对实验数据进行处理，可以得到不同工况下煤焦碳转化率随时间变化的曲线。

图2为860 ℃下浑源煤焦与贵州煤焦的混合焦的碳转化率曲线，图3为混合焦的气化速率曲线。从图中可以看出， 随着气化反应的进行，混合焦的反应速率逐渐降低，气化反应前期和后期反应速率相差较大。这主要是由于在反应前期，高活性煤焦含量较多使得混和焦整体反应速率较快，而反应后期主要是低活性煤焦的气化，由于低活性煤焦的反应速率较低导致了混合焦反应速率的下降。此外，随着反应的进行，煤焦中灰分含量增多，灰分覆盖在煤焦表面增大了内外扩散的阻力，也会使混合焦反应速率降低。气化反应活性的变化使得煤焦的气化过程变得不平稳，气化反应前期失重和后期失重程度出现了分离。文献[4，5]采用的活性因子和最大比失重速率虽然可以描述煤焦气化反应性的大小，但是这两个参数描述的只是煤焦反应活性在一段时间内的平均值或者瞬时值，无法描述反应活性随时间变化的特性。为此，本文定义了完全气化时间﹑稳定因子和参差指数三个参数指标，以更全面的分析混煤焦的气化特性，三个参数指标的定义方法如下所述。

首先，定义过量份额为煤焦碳转化率曲线和假定平均转化率线的差值，其中，平均转化率线是将碳转化率曲线初始时刻点和碳转化率达到98%的时刻点连接所得到。图4为浑1贵3焦在860 ℃气化时过量份额曲线求取示例。

其次，在定义过量份额的基础上，定义完全气化时间为过量份额为零时所对应的时间，完全气化时间越长，表明煤焦的气化活性越低;稳定因子为过量份额峰值，稳定因子越大，表明碳转化率实际曲线与平均转化率曲线越远，说明整个气化过程越不平稳;参差指数为过量份额峰值对应时间与完全气化时间的比值，参差指数越大，表明气化反应前期失重和后期失重程度相差越小。通过自定义的三个参数，可以深入分析煤焦气化反应活性随时间变化的特性。

3 结果与分析

3.1 掺混比例对气化反应的影响

根据参数完全气化时间稳定因子参差指数的定义，求取了浑源煤焦和贵州煤焦及其掺混比为3∶1、1∶1、1∶3的混煤焦在860℃气化时的相关参数。所得参数结果如表2所示。

从表2中可以发现，随着混煤焦中贵州煤焦含量的增大，混煤焦的完全气化时间随之缩短，这是由于混煤焦中贵州煤焦反应速率较快，在贵州煤焦反应完之后会形成较多的颗粒空隙，有助于CO2向煤焦颗粒表面扩散，从而加快了混煤焦气化后期的反应速率。贵州煤焦掺混量增加后，会形成更多的颗粒空隙，对混煤焦后期的反应促进作用也就越明显。表2的另一个特征是，稳定因子随着贵州煤焦含量的增多呈现升高的趋势，说明贵州煤焦含量增大会使混煤焦的气化反应变得更不平稳。这可能是由于浑源煤焦和贵州煤焦气化活性相差较大造成的。从表2还可以发现，混煤焦的参差指数要小于单煤焦的参差指数，说明浑源煤焦中掺入贵州煤焦后，主要反应区域前移，气化反应前后期的分离程度加大。贵州煤焦掺混量增加后，参差指数又呈增高趋势，可能由于随着贵州煤焦掺混比例升高，混煤焦的气化特性主要决定于贵州煤焦，而贵州煤焦的参差指数较高，因而参差指数随贵州煤焦掺混比例增加而增高。

图2 混合焦的碳转化率曲线 图3 混合焦的气化速率曲线

Fig.2 The carbon conversion rate of blended char Fig.3 The gasification rate of blended char

（a）碳转化率曲线示意图 （b）过量份额示意图

图4 过量份额求取示例

Fig.4 Obtainment of excessive share

表2 不同掺混比例试样气化的相关参数

Table 2 The related parameters of coal with different blending ratios

3.2 煤种对气化反应的影响

根据参数完全气化时间稳定因子参差指数的定义，求取了浑源煤焦﹑贵州煤焦﹑准东煤焦及其掺混煤焦在860 ℃气化时的相关参数。三种煤焦掺混方式为：浑源焦和贵州煤焦按照煤焦焦质量比1∶3掺混，浑源煤焦和贵州煤焦焦按照煤焦焦质量比1∶3掺混，浑源煤焦焦和贵州煤焦按照煤焦质量比1∶3掺混，所得参数结果如表3所示。

表3 不同煤种掺混气化的相关参数

Table 3 The related parameters of different blended coal

从表3中可以看出，三种原煤焦的完全气化时间各不相同，浑源煤焦完全气化时间最长，准东煤焦最短，贵州煤焦居中，据此可以判斷三种原煤焦

的气化反应活性大小顺序为：准东煤焦>贵州煤焦>浑源煤焦，其中准东煤焦和贵州煤焦的反应活性相对比较接近。比较各焦样的完全气化时间可以发现，低活性煤焦中掺入高活性煤焦之后，完全气化时间缩短，进而印证了2.2中浑源煤焦掺混贵州煤焦后完全气化时间缩短的结论。不同种低活性煤焦掺入高活性煤焦之后，完全气化时间缩短程度不一样，这可能与煤质有关。比如，浑源煤焦和准东煤焦的反应活性相差最大，完全气化时间变化程度最大。从表3还可以发现，与完全气化时间变化规律类似，不同煤种掺混后稳定指数变化程度不一样。浑源煤焦中掺入贵州煤焦和准东煤焦后，稳定因子均大幅度升高，贵州煤焦掺混准东煤焦后稳定因子变化不太明显。表3的另一个特征是，浑源煤焦掺混贵州煤焦和准东煤焦后，参差指数明显变小，而贵州煤焦掺混准东煤焦后参差指数降低程度相对较少，可能是由于贵州煤焦和准东煤焦反应活性比较接近，并且准东煤焦的掺入量较低，导致气化反应前后期失重分离程度不太明显。

3.3 温度对气化反应的影响

根据参数完全气化时间﹑稳定因子﹑参差指数的定义，求取了浑源煤焦与贵州煤焦掺混比为3：1的混煤焦在820﹑860﹑900 ℃气化时的相关参数。所得参数结果如表4所示。

表4 不同气化温度下试样气化的相关参数

Table 4 The related parameters of different temperature

从表4可以看出，随着气化温度的升高，混煤焦的完全气化时间迅速缩短，说明温度的提高能够明显的加快混煤焦的反应速率。从表4还可以看出，不同气化温度的稳定因子在0.34左右，表明温度对混煤焦气化过程的平稳度影响较小。这是由于气化温度的升高对浑源煤焦和贵州煤焦的气化反应都有显著的促进作用，温度升高只是缩短了反应的时间，而对气化过程中转化率分布的影响比较微弱。表4的另一个特征是，随着气化温度升高，混煤焦的参差指数增大。这可能是由于温度升高加快了低活性煤焦气化反应后期的反应速率，使得混煤焦的完全气化时间缩短，因而混煤焦的前后期分离程度减小。

4 结 论

本文自定义了参数完全气化时间、稳定因子、参差指数，通过三个参数分析了煤种﹑掺混比例和温度对混煤焦气化特性的影响，主要结论可以归纳如下：

（1）随着浑源煤焦中贵州煤焦掺混量的增多，完全气化时间缩短，稳定因子增大。说明贵州煤焦的增加有利于提高混煤焦的气化反应性，但是会造成气化反应过程变得更加不平稳。不同掺混比例混煤焦的参差因子都小于单煤焦的参差因子，说明两种煤焦掺混以后气化反应前后期的分离程度加大。

（2）低活性煤焦中掺入高活性煤焦后，完全气化时间缩短，稳定因子增大，参差指数增高。但是不同煤种掺混煤焦的判定参数变化程度差异明显。浑源煤焦中掺混入贵州煤焦和准东煤焦后，判定参数明显改变，贵州煤焦中种产混入准东煤焦后，判定参数改变相对较小。

（3）对于同一种混煤焦，随着温度升高，完全气化时间减小，参差指数增大，而稳定因子变化不太明显。说明温度升高有利于混煤焦的气化反应，并降低了气化反应前后期的分离程度，但是对气化整体过程的平穩度影响较小。

参考文献：

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