探析煤炭部分气化分级转化的关键技术应用

王朋涛 郭亮

摘 要：煤炭是我国主要的一次能源，为了清洁高效地利用煤炭能源，要重视煤炭分级转化多联产技术的应用，引入循環流化床煤炭部分气化技术与循环流化床半焦燃烧技术，以煤炭不同组分的性质差异为依据，实现煤炭资源的热解、气化和燃烧的整合、梯级化利用，转变煤炭资源利用单一化的低效现象，提升煤炭资源的高效清洁利用。

关键词：煤炭 循环流化床 气化 分级转化

煤炭资源是当前主要的能源资源，要重视对煤炭资源的清洁高效利用研究，分析煤炭分级转化多联产技术的应用，基于煤炭各组分的不同性质和转化特性，通过热解或气化的方式，将煤炭中的气化部分转化为煤气和焦油，体现出技术成熟、污染物排放低、对煤炭实现梯级利用的特点，为解决煤炭资源燃烧的能源环境问题开辟了先进的技术途径。本文重点探讨以煤炭部分气化为基础的多联产技术，先气化煤炭中的高活性物质，生产出煤气，而未气化的半焦则进入到燃烧炉中进行燃烧，生成用于发电或供热的高参数蒸汽。

一、 煤炭部分气化分级转化多联产技术分析

由于煤炭资源含有的低挥发组分较低、焦油含灰量较大，煤炭热解技术无法提升煤炭的利用效率，因而要引入煤炭部分气化分级转化多联产技术，将循环流化床煤炭部分气化技术与循环流化床半焦燃烧技术相整合，以循环流化床气化炉和循环流化床燃烧炉为核心单元，由给料机输送煤炭进入到气化炉中，与水蒸气/ O2、CO2/O2或空气等反应介质产生气化反应，使活性较高、易于转化的煤炭转变为煤气，而未反应的半焦则经由溢流口进入到燃烧炉中，与空气充分混合并燃烧。通常来说，气化炉和燃烧炉的运行温度分别控制在950-1000℃、900℃。该技术对高温高压的环境条件没有特殊要求，实现了煤炭的梯级利用，同时也降低了二氧化碳等污染物的排放[1]。

二、 煤炭循环流化床部分气化的特性分析

煤炭部分气化分级转化技术以循环流化床气化炉为核心单元，可以通过水蒸汽和O2两种气化剂混合条件下的循环流化床实验，高效捕集CO2，实现煤炭的低碳清洁利用。

（一）实验材料

筛分选取0.35-0.9mm粒径的煤炭颗粒作为实验样品，以0.15-0.35mm粒径的黄沙作为流化床反应器的床料，预先将煤料烘干，使之在105℃的高温下烘干12小时，并准备好实验所需的小型常压循环流化床反应器设备，内设给煤装置、给气装置、气固分离装置、DCS控制系统、返料装置、引风机等。

（二）实验步骤

（1）分别将炉膛、立管、气体预热器的温度设置为650℃、350℃和400℃;（2）打开气瓶、蒸汽发生器的开关，并注入定量气体。（3）将750g的床料由炉膛上端添加至炉膛，并将3公斤的煤料送入螺旋给料机装置。（4）将煤料经由螺旋给料机送入炉膛，升温至实验温度，并开启蒸汽发生器的阀门，使蒸汽进入到炉膛之中。（5）调节氧煤比和蒸汽煤比，保持稳定的气化温度，并进行定时气体成分分析。（6）反应持续半个小时之后关闭气瓶、蒸汽反应器和给煤机，通入定量的N2冷却炉膛至200℃的温度，实现对炉膛中半焦的成分分析。一般来说，采用气相色谱分析仪的低氮方法进行气体成分分析，采用傅里叶光谱仪进行半焦性质分析。

（三） O2/H2O气氛下的实验结果分析

（1）氧煤比对部分气化特性的影响。氧煤比对气化温度、碳转化率及煤气低位热值都产生极其明显的影响，当氧煤比由0.37增加至1.15的条件下，气化温度由890℃升高至987℃，碳转化率由79%增加到92%。（2）蒸汽煤比对部分气化特性的影响。蒸汽煤比极大程度上影响了煤气成分、气化温度、碳转化率和煤气低位热值，当蒸汽煤比由0.32增加至0.51时，CO含量增加约2%，H2含量增加约9%，CO2含量则由40.92%降低至29.93%。随着水蒸汽的更多注入，碳转化率由88.3%增加至91.2%，煤气低位热值在蒸汽煤比达到0.51时达到最大值，为9.1MJ/Nm3。（4）半焦特性分析。可以利用拉曼光谱仪测定半焦中碳形态，在反应器中的反应逐渐剧烈的条件下，半焦的碳结构呈现出有序性，并表现出越来越低的半焦活性。同时，利用傅里叶红外光谱仪测定半焦表面官能团，研究气化条件对半焦表面官能团的影响[2]。

（四）O2/CO2气氛下的实验结果分析

（1）氧煤比对煤炭气化特性的影响。当氧煤比增加的条件下，CH4含量呈现出持续减小的趋势，体现出CH4对O2含量的敏感特性。当氧煤比由0.39增加至0.57时，CO+H2含量表现出持续减小的趋势。当气化反应温度由800℃持续上升至930℃时，焦油含量由之前的5.1mg/Nm3下降至1.5mg/Nm3，表示焦油在氧煤比增加的条件下，与O2产生反应并出现分解，能够更好地促进系统的稳定运行。（2）氧煤比对气化温度、碳转化率、CO2转化率及煤气低位热值的影响。当氧煤比增加的条件下，气化温度不断升高，并当氧煤比由0.38增加至0.8时，碳转化率由79%增加至88%，并使煤气低位热值呈现出先增加后减小的趋势，最大值达到5.5MJ/Nm3。

三、结语

综上所述，煤炭部分气化分级转化技术是当前研究热点，本文重点分析典型煤半焦在小型循环流化床反应器的部分气化实验，分析煤炭在O2/ H2O 、CO2/H2O不同气氛下的气化特性和半焦结构特性，更好地降低反应成本，实现煤炭的高效转化。未来还要加强对煤炭部分气化分级转化系统的研究，探索不同反应气氛对半焦内部结构的影响机理。

参考文献

[1]李谦.煤粉高温裂解特性试验及裂解气化中试系统设计与试验[D].浙江大学2018.

[2]袁绍.褐煤自燃特性及提质改性处理影响的机理研究[D].浙江大学2018.