摘要 在煤气化反应动力学活性测定装置上,测得了不同气化原料与二氧化碳、水蒸汽反应的动力学参数(反应活化能和频率因子);用燃点测定管测得了燃料在空气中的燃点。用数学模拟法对测得的数据进行了分析与讨论。
关键词 煤气化 反应活性 反应动力学
中图分类号 TU996 TQ541 TQ013.2
RESEARCH ON REACTIVITY AND REACTION KINETICS IN COAL GASIFICATION PROCESS
Xiang Youqian
(North China Municipal Engineering Design & Reseach Institute, Tianjin 300074,China)
Wang Zejin Li Sunyi Zhang Tianhua Jin Jianping
(Tianjin No.1 Gas Factory,Tianjin 300112,China)
ABSTRACT Reaction kinetics parameters of diferent gasification material with carbon dioxide and steam were measured in coal gasification reaction kinetics activity apparatus. Combustion temperature of coal in air were measured in combustion temperature tube. Measured data were analysed and discussed with mathmatical model method.
KEY WORDS fixed bed coal gasification, reactivity,reaction kinetics
1 引 言
气体燃料由于具有输送方便、利用效率高、污染少等优点,因此是重要的能源和化工原料。气体燃料除了天然气以外,基本上是从一次能源煤或其他能源转换而来。我国煤炭资源相当丰富,其探明储量约800000 Mt,占能源总储量的90%,1996年采煤量约1377Mt,约占全国一次能源的四分之三。预计到下世纪中期,煤炭还会是我国的主要能源,从长远来看,以煤炭为原料的气体燃料制造工艺仍将继续发展。
煤气化过程的主要反应有:
C+O2=CO2 ΔH=-393.71 kJ/mol
C+H2O=CO+H2 ΔH=+131.00 kJ/mol
C+CO2=2CO ΔH=+172.24 kJ/mol
CO+H2O=CO2+H2 ΔH=-41.24 kJ/mol
煤气化用的气化剂有氧气、水蒸气、二氧化碳和氢气等。氢气作为气化剂在我国还很少使用。氧与碳的反应速度很快,一旦达到燃点后,其反应速度主要为扩散控制,其速率可通过扩散速率来计算。二氧化碳一般不是专门的气化剂,但是燃烧过程要产生大量的二氧化碳,进而与碳继续反应,在反应过程中也起着重要的作用。水蒸汽是最常用的气化剂,如水煤气、半水煤气、鲁奇加压气化等生产过程均需采用。
煤的气化过程非常复杂,为了进行煤气化反应器的设计或对一现有气化装置进行核算,就要知道各种原料的气化反应活性。反应活性是代表反应速率的重要标志。知道了反应速率即可知道在一定条件下单位时间和体积内能反应掉的煤量。
本文是在国内外煤气化反应动力学研究的基础上,针对上述气化剂建立了一套模拟实际煤气化过程气化反应动力学参数的测定装置,研究了参数测定的方法、数据处理的方法以及数据分析的方法。
2 试验装置与流程
煤与二氧化碳和水蒸气反应活性的测定装置见图1。反应装置主要的仪器与设备规格如下:
(1) 反应炉:炉膛高约600mm、内径28~30mm,最高温度可达1350℃的硅碳管竖式炉。
(2) 反应管:长800~1000mm,外径20~22mm,耐高温1500℃的石英管或刚玉管,。
(3) 水蒸气饱和器:氮气通过饱和器时能产生50~90℃的饱和蒸气。
(4) 反应温度控制器:具有升温速度控制和恒温性能,最高温度可达1300℃。
(5) 恒温水浴:可控制一定温度,在100℃以下。
(6) 流量计:罗茨式或浮子式均可,量程为0~1000ml/min。
(7) 气体分析仪:用奥氏气体分析仪,其测定范围为0~100%,精度为0.2%。如有连续式气体分析仪并带记录更好。
(8) 热电偶:铂铑-铂热电偶和镍铬-镍铝热电偶(带不锈钢或刚玉套管)。

|
1-氮气瓶或CO2钢瓶;2-气体干燥器;3-流量计;4-水蒸气发生器; 采用该装置测定水蒸气与煤反应活性时,准确测量通过反应器的水蒸气量是关键,也是难度最大的问题。利用在一定温度下的饱和蒸汽压为一定的原理,采用水蒸气饱和器配以恒温水浴的办法,经过反复试验,效果较好,氮气的流速以及饱和器的出口温度都很稳定。 |

|
1-气体流量计;2-热电偶;3-温度控制器; 燃点测定管插在管式炉内,用调压器控制升温速度,管式炉的中部设有一个窥视孔,可随时观察试样的变化情况。燃点测定管由玻璃套管构成,由于煤和焦炭的燃点一般低于650℃,因此燃点测定管采用95料玻璃管,其中熔有一块砂芯,使之既能通过气体又能托住煤样。 3 试验数据评价方法 4 测试结果与分析 表1 不同原料的动力学参数 |
| A煤 | B煤 | C煤 | D煤 |
半焦 |
焦炭 | |
| 与H2O反应的频率因子(m3/kg.h) | 7.204×106 | 258.688×106 | 19.653×106 | 20.857×106 | 151.212×106 | 7.498×106 |
| 与H2O反应的活化能(kcal/kmol) | 32708 | 40969 | 35643 | 36459 |
41181 |
37491 |
| 与CO2反应的频率因子(m3/kg.h) | 1.098×106 | 4.985×106 | 1.787×106 | 1.005×106 | 0.936×106 | 0.228×106 |
| 与CO2反应的活化能(kcal/kmol) | 31415 | 33536 | 32411 | 31665 | 30687 | 29211 |
|
表2 不同原料的燃点 |
| A煤 | B煤 | C煤 | D煤 | 半焦 | 焦炭 | |
| 燃点(℃) | 531 | 528 | 522 | 542 | 542 | 645 |
|
为了定量考查动力学数据的影响,采用数学摸拟法来分析。例如半焦在不同温度下与水蒸汽和二氧化碳的反应速度见表3。 表3 不同温度下半焦的反应速度 |
| 反应温度(℃) | 900 | 1000 | 1100 | 1200 |
| 与H2O的反应速度(kmol/kg.h) | 0.0330 | 0.1230 | 0.3736 | 0.9696 |
| 与H2O的反应速度(kmol/m3.h) | 40 | 147 | 448 | 1163 |
| 与H2O的反应速度(kg/m3.h) | 480 | 1764 | 5376 | 13956 |
| 与CO2的反应速度(kmol/kg.h) | 0.0186 | 0.0483 | 0.1080 | 0.2166 |
| 与CO2的反应速度(kmol/m3.h) | 22 | 58 | 129 | 260 |
| 与CO2的反应速度(kg/m3.h) | 264 | 696 | 1548 | 3120 |
| 注:煤粒的重度按1200 kg/m3计。 | ||||
|
一般来讲,固定床气化炉的有效高度约2.0m,其平均体积气化强度为200kg/m3.h左右,显然比气化温度为900℃时用水蒸气气化的计算气化强度还要低些,可见气化炉内的实际有效气化区并不高。 表4 发生炉模拟计算的结果 |
| 煤种 | A煤 | B煤 | C煤 | D煤 | 半焦 | 焦炭 |
| 最高反应温度(℃) | 1187.4 | 1160.9 | 1187.6 | 1196.0 | 1184.4 | 1324.2 |
| 气化强度(kg/m2.h) | 414 | 412 | 410 | 405 | 405 | 386 |
| 煤气组成(%) | ||||||
| CO2 | 11.88 | 12.05 | 11.95 | 11.98 | 12.04 | 12.13 |
| CO | 23.00 | 22.65 | 22.73 | 22.58 | 22.50 | 21.85 |
| H2 | 25.90 | 25.71 | 25.42 | 25.09 | 25.15 | 23.52 |
| N2 | 39.32 | 39.59 | 39.90 | 40.35 | 40.31 | 42.50 |
| 热值(kJ/m3) | 5710 | 5647 | 5626 | 5572 | 5567 | 5312 |
| 热效率(%) | 67.60 | 66.97 | 66.78 | 66.32 | 66.22 | 64.00 |
|
5 结 语 作者单位:项友谦 (中国市政工程华北设计研究院, 天津300074) |
摘要 在煤气化反应动力学活性测定装置上,测得了不同气化原料与二氧化碳、水蒸汽反应的动力学参数(反应活化能和频率因子);用燃点测定管测得了燃料在空气中的燃点。用数学模拟法对测得的数据进行了分析与讨论。
关键词 煤气化 反应活性 反应动力学
中图分类号 TU996 TQ541 TQ013.2
RESEARCH ON REACTIVITY AND REACTION KINETICS IN COAL GASIFICATION PROCESS
Xiang Youqian
(North China Municipal Engineering Design & Reseach Institute, Tianjin 300074,China)
Wang Zejin Li Sunyi Zhang Tianhua Jin Jianping
(Tianjin No.1 Gas Factory,Tianjin 300112,China)
ABSTRACT Reaction kinetics parameters of diferent gasification material with carbon dioxide and steam were measured in coal gasification reaction kinetics activity apparatus. Combustion temperature of coal in air were measured in combustion temperature tube. Measured data were analysed and discussed with mathmatical model method.
KEY WORDS fixed bed coal gasification, reactivity,reaction kinetics
1 引 言
气体燃料由于具有输送方便、利用效率高、污染少等优点,因此是重要的能源和化工原料。气体燃料除了天然气以外,基本上是从一次能源煤或其他能源转换而来。我国煤炭资源相当丰富,其探明储量约800000 Mt,占能源总储量的90%,1996年采煤量约1377Mt,约占全国一次能源的四分之三。预计到下世纪中期,煤炭还会是我国的主要能源,从长远来看,以煤炭为原料的气体燃料制造工艺仍将继续发展。
煤气化过程的主要反应有:
C+O2=CO2 ΔH=-393.71 kJ/mol
C+H2O=CO+H2 ΔH=+131.00 kJ/mol
C+CO2=2CO ΔH=+172.24 kJ/mol
CO+H2O=CO2+H2 ΔH=-41.24 kJ/mol
煤气化用的气化剂有氧气、水蒸气、二氧化碳和氢气等。氢气作为气化剂在我国还很少使用。氧与碳的反应速度很快,一旦达到燃点后,其反应速度主要为扩散控制,其速率可通过扩散速率来计算。二氧化碳一般不是专门的气化剂,但是燃烧过程要产生大量的二氧化碳,进而与碳继续反应,在反应过程中也起着重要的作用。水蒸汽是最常用的气化剂,如水煤气、半水煤气、鲁奇加压气化等生产过程均需采用。
煤的气化过程非常复杂,为了进行煤气化反应器的设计或对一现有气化装置进行核算,就要知道各种原料的气化反应活性。反应活性是代表反应速率的重要标志。知道了反应速率即可知道在一定条件下单位时间和体积内能反应掉的煤量。
本文是在国内外煤气化反应动力学研究的基础上,针对上述气化剂建立了一套模拟实际煤气化过程气化反应动力学参数的测定装置,研究了参数测定的方法、数据处理的方法以及数据分析的方法。
2 试验装置与流程
煤与二氧化碳和水蒸气反应活性的测定装置见图1。反应装置主要的仪器与设备规格如下:
(1) 反应炉:炉膛高约600mm、内径28~30mm,最高温度可达1350℃的硅碳管竖式炉。
(2) 反应管:长800~1000mm,外径20~22mm,耐高温1500℃的石英管或刚玉管,。
(3) 水蒸气饱和器:氮气通过饱和器时能产生50~90℃的饱和蒸气。
(4) 反应温度控制器:具有升温速度控制和恒温性能,最高温度可达1300℃。
(5) 恒温水浴:可控制一定温度,在100℃以下。
(6) 流量计:罗茨式或浮子式均可,量程为0~1000ml/min。
(7) 气体分析仪:用奥氏气体分析仪,其测定范围为0~100%,精度为0.2%。如有连续式气体分析仪并带记录更好。
(8) 热电偶:铂铑-铂热电偶和镍铬-镍铝热电偶(带不锈钢或刚玉套管)。

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1-氮气瓶或CO2钢瓶;2-气体干燥器;3-流量计;4-水蒸气发生器; 采用该装置测定水蒸气与煤反应活性时,准确测量通过反应器的水蒸气量是关键,也是难度最大的问题。利用在一定温度下的饱和蒸汽压为一定的原理,采用水蒸气饱和器配以恒温水浴的办法,经过反复试验,效果较好,氮气的流速以及饱和器的出口温度都很稳定。 |

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1-气体流量计;2-热电偶;3-温度控制器; 燃点测定管插在管式炉内,用调压器控制升温速度,管式炉的中部设有一个窥视孔,可随时观察试样的变化情况。燃点测定管由玻璃套管构成,由于煤和焦炭的燃点一般低于650℃,因此燃点测定管采用95料玻璃管,其中熔有一块砂芯,使之既能通过气体又能托住煤样。 3 试验数据评价方法 4 测试结果与分析 表1 不同原料的动力学参数 |
| A煤 | B煤 | C煤 | D煤 |
半焦 |
焦炭 | |
| 与H2O反应的频率因子(m3/kg.h) | 7.204×106 | 258.688×106 | 19.653×106 | 20.857×106 | 151.212×106 | 7.498×106 |
| 与H2O反应的活化能(kcal/kmol) | 32708 | 40969 | 35643 | 36459 |
41181 |
37491 |
| 与CO2反应的频率因子(m3/kg.h) | 1.098×106 | 4.985×106 | 1.787×106 | 1.005×106 | 0.936×106 | 0.228×106 |
| 与CO2反应的活化能(kcal/kmol) | 31415 | 33536 | 32411 | 31665 | 30687 | 29211 |
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表2 不同原料的燃点 |
| A煤 | B煤 | C煤 | D煤 | 半焦 | 焦炭 | |
| 燃点(℃) | 531 | 528 | 522 | 542 | 542 | 645 |
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为了定量考查动力学数据的影响,采用数学摸拟法来分析。例如半焦在不同温度下与水蒸汽和二氧化碳的反应速度见表3。 表3 不同温度下半焦的反应速度 |
| 反应温度(℃) | 900 | 1000 | 1100 | 1200 |
| 与H2O的反应速度(kmol/kg.h) | 0.0330 | 0.1230 | 0.3736 | 0.9696 |
| 与H2O的反应速度(kmol/m3.h) | 40 | 147 | 448 | 1163 |
| 与H2O的反应速度(kg/m3.h) | 480 | 1764 | 5376 | 13956 |
| 与CO2的反应速度(kmol/kg.h) | 0.0186 | 0.0483 | 0.1080 | 0.2166 |
| 与CO2的反应速度(kmol/m3.h) | 22 | 58 | 129 | 260 |
| 与CO2的反应速度(kg/m3.h) | 264 | 696 | 1548 | 3120 |
| 注:煤粒的重度按1200 kg/m3计。 | ||||
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一般来讲,固定床气化炉的有效高度约2.0m,其平均体积气化强度为200kg/m3.h左右,显然比气化温度为900℃时用水蒸气气化的计算气化强度还要低些,可见气化炉内的实际有效气化区并不高。 表4 发生炉模拟计算的结果 |
| 煤种 | A煤 | B煤 | C煤 | D煤 | 半焦 | 焦炭 |
| 最高反应温度(℃) | 1187.4 | 1160.9 | 1187.6 | 1196.0 | 1184.4 | 1324.2 |
| 气化强度(kg/m2.h) | 414 | 412 | 410 | 405 | 405 | 386 |
| 煤气组成(%) | ||||||
| CO2 | 11.88 | 12.05 | 11.95 | 11.98 | 12.04 | 12.13 |
| CO | 23.00 | 22.65 | 22.73 | 22.58 | 22.50 | 21.85 |
| H2 | 25.90 | 25.71 | 25.42 | 25.09 | 25.15 | 23.52 |
| N2 | 39.32 | 39.59 | 39.90 | 40.35 | 40.31 | 42.50 |
| 热值(kJ/m3) | 5710 | 5647 | 5626 | 5572 | 5567 | 5312 |
| 热效率(%) | 67.60 | 66.97 | 66.78 | 66.32 | 66.22 | 64.00 |
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5 结 语 作者单位:项友谦 (中国市政工程华北设计研究院, 天津300074) |
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