煤热解/气化半焦燃烧特性的研究

王俊琪，方梦祥

（1.南京工业职业技术学院，210023南京；2.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，310027杭州）



煤热解/气化半焦燃烧特性的研究

王俊琪1，方梦祥2

（1.南京工业职业技术学院，210023南京；2.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，310027杭州）

煤部分气化技术是洁净煤技术的一个重要研究方向，而气化后的半焦的利用问题是当今的一个研究热点。本文研究了在小型流化床试验台上热解/气化后半焦的孔隙特性，并在该小型流化床试验台上研究了不同气氛下制得的半焦的燃烧特性。实验结果显示：半焦燃烧后其大颗粒的灰渣较少，粒度在0.6～1.0 cm之间的最多，这非常有利于灰渣的综合利用；其次，半焦燃烧过程中污染物的排放量非常低，因此煤部分气化集成半焦燃烧技术是一种非常有发展前景的洁净煤技术。

煤气化；半焦；流化床；燃烧特性

1　引言

中国的能源结构长期以煤为主，而且在今后相当长的一段时间内不会有大的改变。然而煤在燃烧中放出大量的SO2等污染物，严重污染了环境。随着环境问题的日益严重，实现煤的高效、清洁、低污染利用成了当今研究的热点。煤作为一种复杂的混合物，如果单纯以燃烧为主，不仅造成了能源的巨大浪费，还污染了环境。基于煤分级转化思想的煤部分气化集成半焦燃烧的多联产技术［1］实现了煤的高效低污染利用，更好地解决了人们所面临的资源与环境问题。

孙瑞等［2］利用高温携带流反应器对工业炉二级旋风分离器捕获的气化半焦进行燃烧反应，对反应器不同轴向不同停留时间采样的半焦进行孔隙特性分析。张荣光等［3］在常压循环流化床中试装置上进行了升华煤的气化试验，分析了试验条件对煤气组成、热值、碳转换率和煤气效率的影响。周宏仓等［4］在小型流化床气化炉上进行了空气和水蒸汽存在的条件下的煤部分气化试验，研究了石灰石、碳酸钠和白云石三种催化剂对煤气组分、热值、煤气产率和转换率的影响。盛宏至等［5］研究了不同煤种制得半焦中挥发分、灰分、固定碳随制备温度不同的变化趋势，得出了不同半焦燃烧的动力学模型。此外，国内外很多学者［6-14］在热重分析仪上研究半焦的燃烧特性，相对而言，研究半焦在流化床中的燃烧特性较少。本文以热解气化后的半焦为原料，对不同气氛下制得的半焦进行对比分析，并在小型循环流化床上进行半焦的燃烧试验。

2　试验装置与燃料特性

实验在小型循环流化床实验台上进行，实验台系统图如图1所示。炉膛升温采用电加热的方式。本实验台主要由气体预热系统、流化床反应器本体、给料系统、返料系统、气固分离系统、半焦和渣取样系统等部分组成。实验台选用管径Ф89 mm×6 mm耐1035℃高温的不锈钢管作为反应器。反应器高度为2.8 m，循环物料入口在布风板上0.4 m，溢流口在布风板上0.35 m处，上给煤装置入口在布风板上0.66 m处，下给料机送入口在布风板上0.1 m处。

图1　小型流化床试验台

实验中，沿流化床反应器的高度方向在不同位置处布置了高温热电偶，热电偶插入到圆柱型反应器筒体的中央。此外，在返料系统、气固分离系统、气体预热系统均布置有热电偶。空气流量的测量采用玻璃转子流量计。给料量是通过对螺旋给料机的标定来确定给料量。煤气从系统的二级分离器后采样，利用气相色谱仪和红外气体分析仪分析煤气的成份。

半焦制备时，先在流化床反应器内放入一定量的石英砂作为床料；然后打开电加热开关，对炉体进行预热。同时开启罗茨风机和空气预热系统，对进入反应器的空气进行预热，待反应器温度升至600℃左右时，开启给煤机，将煤加入流化床反应器，使其进行燃烧升温，然后通过控制空气量、煤量、氧气量、水蒸气的量，控制系统运行参数，待系统稳定后开始进行取样。半焦燃烧时，步骤与半焦制备类似，只不过采用的材料为部分气化后的半焦，反应气体采用的是空气。

枣庄烟煤的工业分析和元素分析如表1所示。

表1　枣庄煤的工业分析、元素分析及发热量

半焦的制备条件如表2所示。

表2　半焦制备条件表

3　实验结果与讨论

3.1半焦的工业分析

半焦的工业分析和元素分析如表3所示。

3.2半焦孔隙特性分析

半焦的孔隙特性分析如表4所示。孔隙特性与含碳量、热值之间的关系如图2所示。

表4　半焦孔隙特性

表3　半焦的工业分析、元素分析及发热量

图2　半焦空隙特性与含碳量、热值关系

由图2可见，随着比表面积和总孔容积的增加，含碳量和热值均呈下降趋势，而随着平均孔径的增大，半焦含碳量和热值呈上升趋势，这是由于反应进行的比较完全，孔隙结构的进一步发展，出现了很多微孔，而且微孔所占的比例很大，含碳量下降，热值降低，微孔比例的增加有利于燃烧反应的进行。

3.3半焦燃烧特性分析

（1）燃烧试验运行参数

半焦燃烧试验典型运行参数如表5所示。

表5　半焦燃烧试验的典型运行参数和实验结果

由表5的运行参数可见，气化后剩余的半焦燃烧非常稳定，床层温度较高。

（2）燃烧的污染排放特性

由表5可见，半焦燃烧产生的NOx非常少，H2S几乎没有。相反，煤燃烧时的NOx产率较高。此外，半焦燃烧产生的SO2比较少，因此半焦燃烧比煤燃烧洁净。

（3）灰渣特性

实验半焦燃烧后灰与渣的粒度分析如表6所示。

表6　灰与渣的粒度分析

由表6可见，渣的粒度分布主要集中于0.6～1 cm，大粒度的渣比较少，而灰主要集中于小于0.355 cm的粒径范围，这十分有利于灰渣的综合利用。

半焦燃烧灰与渣的含碳量分析如表7所示。

表7　灰与渣的含碳量分析

由表7可知，与煤气化的灰与渣的含碳量相比，半焦燃烧比较完全，灰渣含碳量较小。与煤燃烧相比，半焦燃烧的碳转化率高。但是由于炉膛稍微倾斜，因此燃烧温度稍微偏低，碳转化率有所下降。

4　结论

（1）本文进行了煤和半焦的孔比表面积、孔容积、平均半径特性分析，对煤和半焦进行比较，通过分析发现气化后半焦的孔隙率明显大于热解半焦的孔隙率和原煤的孔隙率。

（2）通过对热解半焦的孔隙特性进行分析，研究发现随着热解温度的升高，半焦的孔隙率增加，平均孔径变小，微孔和小孔的分布比例增加。

（3）通过对气化半焦的孔隙特性进行分析，研究发现随着氧气浓度的增加，半焦的孔隙率增加，平均孔径变小，微孔的比例急剧增加。

（4）半焦在流化床中可以稳定燃烧，燃烧产生的NOx比较小，H2S几乎没有，而产生的SO2比较少，半焦燃烧比煤燃烧洁净。因此，基于煤部分气化、半焦燃烧的分级利用技术不但可以提高碳的转化率，而且还最大程度的减少了污染物的排放，是一种非常有前景的煤炭综合利用技术。

［1］岑建孟，方梦祥，王勤辉，等.煤分级利用多联产技术及其发展前景［J］.化工进展，2011，30（1）：705～708.

［2］孙瑞，张鑫，Leungo Kelebopile，等.燃烧中气化半焦孔隙结构特性变化实验研究［J］.中国电机工程学报，2012，32（11）：35～41.

［3］张荣光，那永杰，吕清刚.循环流化床煤气化试验研究［J］.中国电机工程学报，2005，25（9）：103～107.

［4］周宏仓，金保升，仲兆平，等.催化作用下流化床中煤部分气化的试验研究［J］.动力工程，2006，26（5）：699～702.

［5］盛宏至，刘典福，魏小林，等.煤部分气化后生成半焦的特性［J］.燃烧科学与技术，2004，10（2）：187～191.

［6］陈晓平，谷小兵，段钰锋，等.半焦加压燃烧特性研究［J］.工程热物理学报，2004，25（4）：345～347.

［7］向银花，房倚天，黄戒介，等.煤焦的燃烧特性和动力学模型研究［J］.煤炭转化，2000，23（1）：10～15.

［8］Yong，B.C.，etc.Temperature measurements of Beulah lignite char in a novel laminar-flowreactor［J］.Fuel，1988，（67）：40.

［9］Hustard，J.E.，etc.Burning rates of coke particles in the freeboard above a fluidized bed reactor［J］.Combustion and Flame，1991，（85）：223～240.

［10］Alying，A.B.，etc.Measured temperatures of burning pulverized fuel particles and nature of the primary reaction product［J］. Combution and Flame，1972，（18）：173～184.

［11］傅维标，王庆华.煤焦还原气化反应动力学参数与煤种的通用关系［J］.燃烧科学与技术，2000（6）：96～100.

［12］傅维标，张百立.煤焦燃烧反应动力学参数与煤种的通用关系［J］.燃烧科学与技术，1997，（3）：1～14.

［13］沈胜强，李素芬，石英.半焦粒子着火与燃烧过程实验研究［J］.燃烧科学与技术，2000，（6）：66～69.

［14］刘鑫，沈胜强.半焦粒子团燃烧模型与计算分析［J］.燃烧科学与技术，1997，（3）：304～308.

Study on Characters of Semi-coke After Coal Pyrolysis and Gasification

WANG Jun-qi1，FANG Meng-xiang2，LUO Zhong-yang2
（1.Nanjing Institute of Industry and Technology，Nanjing 210023；2.State level Key Laboratory for Clean Energy Utilization，Hangzhou 310027）

Coal Partial Gasification Technology is one of important research direction on clean coal technology，And utilization problems for gasification semi-coke is a research focus nowadays.Study on the pore characteristic of semi-coke after Coal pyrolysis and Gasification was carried out in the article.And study on combustion for semi-coke prepared by a small fluidized bed was proceeded。The experimental results show that large particle ash slag was very few after semi-coke combustion，Particle Size for 0.6～1.0 cm was most。This was very beneficial to comprehensive utilization for ash slag。Secondly，pollutant emission for semi-coke combustion was very little。So coal partial gasification technology and semickoe combustion technology is a very good development prospect clean coal technology。

Coal Gasification；Semi-coke；Fluidized bed；Combustion characteristic