活性炭辅助微波气化无烟煤-烟煤混合物

2019-08-26连明磊王克良

天然气化工—C1化学与化工 2019年3期

李静,连明磊,王克良

（六盘水师范学院化学与材料工程学院,贵州六盘水 553004）

煤气化技术是现代煤化工产业的核心，开发转化率高、能耗低、无污染、绿色环保的技术始终是多年来的研究热点[1-3]。煤气化的反应器形式多样，主要有固定床气化、流化床气化、气流床气化等[4-7]。煤的气化反应主要指的是煤与气化剂之间的反应，目前对于气化剂的研究主要集中在水蒸气、氢气、氧气和二氧化碳等，其中气化类型主要有非均相的气-固反应和均相的气化反应[8-9]。对于煤气化效果的影响因素也是多方面的，如煤种变质程度、水分含量、灰分含量、煤质颗粒度等[10]。如德国鲁奇公司开发的Lurgi 煤气化技术，要求原料煤样颗粒度＜50mm，来保持床层的透气性；BGL 炉要求原料煤的灰熔点在1200℃以上[11]。

煤气化技术从固定床到流化床，再到气流床，一方面是适应大型化的要求，更重要的是为了拓展气化技术对煤种的适应性。开发一种能够适应各种煤种的气化技术一直是研发人员追求的目标，也是煤气化技术发展过程中必须解决的问题。目前，煤气化技术面临的主要问题有：（1）对煤种及原料煤质量要求高，特别是灰熔点等参数对气化过程影响明显；（2）耗氧量大，汽氧比调控难度大；（3）二氧化碳排放量大[12-13]。同时，煤气化工艺与当地煤种的质量密切相关，需要优化最佳工艺条件，为当地的煤炭产业提供坚实的基础数据。

本文建立了一套以煤质颗粒活性炭为吸波剂及传热介质的微波辅助煤气化工艺，以低温低压饱和水蒸汽为气化剂，以微波为固定床辅助热源、以煤质颗粒活性炭作为吸波剂及传热介质来气化煤的技术路线及工艺流程，探讨解决煤气化所面临主要问题的方法；同时，使该工艺对原料煤种类、煤质量及汽氧比无任何特殊要求，煤质颗粒活性炭也可循环使用。实验以贵州省六盘水地区无烟煤-烟煤为原料，考察无烟煤与烟煤的质量配比、微波功率、反应时间、水蒸气流量等因素对气化效果的影响，以期为外热式煤气化技术尤其是微波辅助技术应用于现代煤气化装置提供基础数据，同时为小型微波煤气发生炉的设计提供技术支持。

1 实验部分

1.1 固定床气化反应装置

本实验采用微波辅助固定床气化工艺，微波炉型号为广东美的M1-211A 型，反应器（Φ24×2mm，高度150mm）的设计如图1 所示。在微波炉的上方开两个5mm 的小孔，水蒸气（气化剂）经过左端小孔输送到石英管反应器中，依次经过瓷球（隔热层）、石英片和石英棉（隔断层）、煤与活性炭混合物（反应层）、石英片和石英棉（隔断层）、瓷球（隔热层），反应器两端由硅胶塞密封，反应气体从出口管排出，用锡箔袋收集气体进行成分分析。

图1 活性炭辅助微波固定床气化反应装置

1.2 实验原料

无烟煤（灰熔点1257℃，w(碳)=73.9%），烟煤（灰熔点1278℃，w(碳)=65.4%），均取自贵州省六盘水钟山区汪家寨洗煤厂。将无烟煤和烟煤研磨并混合均匀，过200 目标准筛。

活性炭（四种，分别来自沈阳、天津、川东和川江），分别将四种活性炭放入电热鼓风干燥箱中烘干冷却后，过40 目标准筛。

2 结果与讨论

2.1 活性炭、煤样与活性炭配比的筛选

煤对微波的吸收能力有限，煤质活性炭又具有耐高温、无其它杂质、即便活性炭气化也不会对实验结果有影响的优点，故选择煤质活性炭为辅助传热介质。由于不同厂家生产的活性炭有所差异，本实验需要筛选出一种升温速率相对最快的活性炭，作为辅助传热介质。

将6g 的煤质活性炭装入反应器，并将其固定在图1 所示的微波中，将微波功率调至700W，每隔5s记录温度，不同厂家的活性炭升温曲线如图2 所示。

图2 四种活性炭的升温曲线

由图2 可看出沈阳活性炭能够最快升温达到1000℃，且耗时最短，因此选择沈阳活性炭为活性炭辅助微波气化的传热介质。

无烟煤-烟煤原料与活性炭按1:3、1:2、1:1、2:1、3:1 的质量比，分别称取总量为3g、4g、5g、6g、7g的煤与活性炭并混合均匀装入反应器中固定，微波功率为700W，每隔5s 记录温度，当温度达到1000±150℃时关闭电源，待温度降下来后，取出石英管，再重复之前的步骤进行测量。煤与活性炭在几种工况下的升温曲线如图3 所示。

图3 无烟煤-烟煤与活性炭在几种工况下的升温曲线

由图3 可以看出，无烟煤-烟煤与活性炭混合物在不同总量情况下，表现出了相同的升温趋势。随着活性炭比例的下降，其升温速率也逐渐缓慢。当无烟煤-烟煤原料与活性炭质量比为1:3 时，能够最快升温达到1000 ℃。

2.2 单因素实验

2.2.1 无烟煤-烟煤与活性炭的总量的影响

图4 无烟煤-烟煤与活性炭的总量对气化率的影响

将无烟煤-烟煤与活性炭按照1:3 质量比，分别称取总量为3g、4g、5g、6g、7g 的混合物置于反应器中。根据实验后称量的剩余煤的质量，得出不同总量下的气化率，如图4 所示。随着无烟煤-烟煤与活性炭混合物总量增大，气化率先增大后减小之后再稍微增大，当无烟-烟煤与活性炭混合物(质量配比1:3)总量为5g 时，气化率达到最大40%。因此确定选择无烟煤-烟煤与活性炭总量为5g。

2.2.2 水蒸气流速的影响

将质量配比为1:3、总量为5g 的无烟煤-烟煤与活性炭混合物，在微波功率为700W，反应时间为1min 时，将微流量蠕动泵流率分别调到6 档位（即水蒸气流速为43.37g/h，下同）、7 档位(48.53g/h)、8档位（55.82g/h）、9 档位 (63.41g/h)、10 档位(72.43g/h)，无烟煤-烟煤与活性炭在不同水蒸气流速下的气化率图5 所示。随着水蒸气流速的升高，无烟煤-烟煤气化率先升高后降低，在水蒸气流速为55.82g/h 时，气化率达到最高。

图5 水蒸气流速对气化率的影响

2.2.3 微波功率的影响

将质量比为1:3、总量5g 的无烟煤-烟煤与活性炭混合物装入固定反应器中，将水蒸气流速调到55.82g/h，反应时间为1min，测量不同微波功率下无烟煤-烟煤的气化率。由图6 可知，随着微波功率的增大，无烟煤-烟煤气化率也逐渐升高，在所选择的微波中，当微波功率为700W 时，无烟煤-烟煤气化率达到最大。

图6 微波功率对气化率的影响

2.2.4 气化时间的影响

将质量比为1:3、总量5g 的无烟煤-烟煤与活性炭混合物装入反应器中，水蒸气流速为55.82g/h，微波功率为700W，不同的气化时间对气化率影响如图7 所示。可以看出，随着气化时间的增加，无烟煤-烟煤气化率也逐渐增大，在反应时间为5min时，气化率达到最大60.8%。

图7 气化时间对气化率的影响

2.3 正交实验

通过单因素实验分析可知，质量配比为1:3 的无烟煤-烟煤与活性炭总量5g、反应时间为5min、微波功率为700W、水蒸气流速为55.82g/h 时，气化率最高。为了选择出最佳的工艺条件，对反应时间、无烟煤-烟煤与活性炭总量、水蒸气流速、微波功率4 个因素进行分析考察，以功耗为考察指标，设计正交实验，选择出最优方案。

设计方案如表1 所示。

表1 正交实验四因素三水平

表2 正交实验结果

由表2 可看出，对功耗影响最大的是无烟煤-烟煤与活性炭混合物的总量，其次是微波功率的影响，再其次是气化时间，影响最小的是水蒸气流速。通过正交实验得出实验的最优方案：无烟煤-烟煤与活性炭混合物的总质量为5g、水蒸气流速为63.41g/h、微波功率为540W、气化时间为280s。

基于正交实验所选择的最优方案，进行重现性实验，最终实验结果列于表3 中。

表3 最优方案条件下的实验数据

由表3 的数据可看出：利用正交实验选择的最优方案，功耗为232615J/g。相比于正交实验表中其他组的功耗都低，数据表明，重现性较好。故正交实验选择的最优方案可行。

用奥氏气体分析仪，对反应后收集的气体进行分析，结果如图10 所示。无烟煤-烟煤气化组分中含量最多的为CO 和H2，体积分数分别为40.75%和36.36%，有效组分CO、H2和CH4的总体积分数为82.12%，含量较高，CO 和H2是水煤气的主要成分，可用作家用煤气、工业煤气使用，而含量为5.01%的CH4可用作燃料及制备氢、一氧化碳、乙炔、甲醛等物质的原料。

图8 气体组成分析

2.4 活性炭重复使用

图9 活性炭重复使用次数对气化率的影响

在最优工艺条件下，考察活性炭重复使用次数对气化率的影响。由图9 可以看出，随着活性炭使用次数的增多，无烟煤-烟煤气化率越来越低，当无烟煤-烟煤气化率低于20%之下，活性炭便没有辅助气化的意义，无烟煤-烟煤的气化也不符合经济性的原则。活性炭在使用3 次之后，气化效果已经比较低了，故活性炭最多可重复使用3 次。