气化条件对等离子体煤气化的影响

（¹太原工业学院 化学与化工系，山西 太原 030008

²太原理工大学 化学工程与技术学院，山西 太原 030024）

摘  要：在立式反应器中考察了反应器结构，供煤量，水蒸气供量和煤粉粒度对等离子体煤气化的影响，结果显示：在其它条件一定的条件下，立式反应器结构为4，供煤量为6.66kg/h，水蒸气供量为10.00kg/h，煤粉粒度较小时气化效果较好。

关键词：气化条件；等离子体；煤气化

中图分类号：TQ541 

煤气化是一个吸热过程，必需供入体系热量。对于常规的煤气化方法来说，是通过燃烧部分煤供热而实现的，这样将导致产物气中CO2含量的增加。与常规煤气化工艺相比，等离子体辅助下的煤气化主要是依靠等离子体提供热量，同时应用等离子炬的高温、高能和高密度活性粒子的特点，使得体系具有很高的反应性，很容易与煤发生作用，使得煤气化过程易于进行^[1-3]。鉴于此，本文主要讨论了一些气化条件对等离子体煤气化的影响，初步确定等离子体煤气化的气化条件。

1 实验部分

能耗和煤的转化程度，以及产物中H2和CO的含量是煤气化的重要控制指标，正是由于各种因素对于这些指标的影响制约了等离子体煤气化工业化的进程，因此有必要首先通过实验考察各种因素（如煤种、供煤速率、工作气体供量、发生器功率、水蒸气供量、实验装置、工作气体中的氧气浓度、温度及煤粉粒度等）对等离子体煤气化过程的影响，从而寻找较优的操作条件。关于煤种，发生器功率，工作气体供量，工作气体中的氧气浓度和温度的影响已有研究^[4,5]，因此本论文不再对上述方面内容进行讨论。下面分别从反应器结构，供煤量，水蒸气供量，煤粉粒度等方面研究等离子体煤气化的气化条件。

1.1 实验原料

实验使用的气化剂为空气和水蒸气。煤为大同煤，其工业分析和元素分析结果见表1。

表1 实验用煤的工业分析和元素分析

1.2 主要反应装置

等离子体反应装置由等离子体发生器，反应器，水封积灰装置和尾气、煤渣处理装置组成。具体见文献[4]。

1.3 实验条件

本实验采用的等离子体发生器功率为45kw，工作气体为空气，工作气供量为14~15Nm3，工作气体压力为0.3Mpa，1号测温点的温度为1200K。

2  实验结果与讨论

2.1 反应器结构的影响

反应装置是煤气化的影响因素之一，不同的装置对煤气化有一定的影响，同种装置的不同结构对煤气化也有一定的影响，我们对立式反应器进行了不同方式的改进，探求了反应器的最佳结构。

表2 立式反应装置的工作方式

图1中的横坐标代表立式反应器的4种工作方式，主要针对供煤方式，供水蒸气和旋流气的相对位置及进入方式进行了调整，具体如表2所列。由图1可知，方式2和3碳转化率都比较低，并且3的CO2含量最高，H2和CO的含量最低，因此不采用方式3。方式2和1，4相比，CO2的含量虽然较低，但H2和CO的含量和碳转化率不如它们高，产品气质量不高，因此也不采用这种方式。1和4两种工作方式相比碳转化率都较高，但是方式1的H2和CO的总含量比4要低，且CO2的含量比4要高，所以最终选择使用工作方式4。以后均采用方式4的反应装置进行实验。

图1 立式反应器工作方式对煤气化的影响

从实际的运行情况看，供煤采用负压输送，由于反应体系中高温气体膨胀产生的压力增加，倾斜向上供煤或沿反应器径向水平供煤将会使供煤体系由负压向正压转化，导致送煤过程阻力增大，不利于煤的输送，另一方面考虑到延长反应的接触时间，我们最终采用了沿反应器的切向方向供煤方式。

从四种工作方式来看，水蒸气位置越高越有利于煤气化反应，原因在于水蒸气位置高有利于等离子炬与水蒸气进行作用，使得水蒸气得到活化，气化反应更容易进行。

2.2 供煤量对煤气化的影响

供煤量也是影响煤气化的重要因素之一，它直接影响着产品气的含量和碳转化率，因此对供煤量的选择进行了实验。

图2 供煤量对煤气化的影响

从图2可以看出：H2和CO含量的增加趋势比较缓慢，碳转化率急剧减小，且通过计算可知，H2和CO总含量的增加量比供煤量的增加量小得多。原因可能是：一方面，气化结果取决于分散在等离子体活化体积内的煤粉密度，当供煤量增加，活化体积内煤粉密度虽增加，但由于活化体积较小，活化体积内煤量增加较小；另一方面，煤量的增加使得煤的活化程度相对降低，结果造成H2和CO总含量增加缓慢，碳转化率急剧减小。一定程度上说，产物H2和CO总含量的增加是以煤的较大消耗为代价的，从经济的角度考虑是不合算的。综合考虑，当供煤量为6.66kg/h时，气化结果较好。

2.3 水蒸气供量对煤气化的影响

图3 水蒸气供量对煤气化的影响

由图3可以看出，在水蒸气供量为10.00kg/h附近时，H2和CO的含量及碳转化率均处于最

高点，而CO2的含量变化趋势趋于平缓。

等离子炬中含有大量的离子、自由基、活性原子或原子团和激发态分子等活性组份，当等离子体输入功率一定时，它们在等离子炬中的含量也是一定的。水蒸气供入量较小时不足以与全部的活性组分作用，造成浪费，导致煤气化反应速率下降，产品气中H2和CO的含量较小；随着水蒸气供入量的增加，与活性组分作用的量也增加，反应速率上升，H2和CO含量也上升；但是当水蒸气供入量过大时，过量的水分子与活性基团碰撞频率增加，会使活性基团淬灭，降低反应速率，导致H2和CO的含量下降。

2.4 煤粉粒度对煤气化的影响

煤粉粒度也是影响煤气化的一个重要因素，特别是在本实验装置中，由于煤粉在反应器中停留时间较短，因此粒度的影响显得尤为重要。本文在各种条件相同情况下，选取了125μm和75μm的煤粉进行了实验，其气化结果在图4给出。

图4 煤粉粒度对煤气化的影响

从图4可以看出，与125μm煤的气化相比，粒度为75μm煤的气化结果较好，H2和CO的含量有所提高，同时碳转化率也有所提高。原因可能是，随着煤粉粒度的减小，煤的比表面积增大，使反应中的气相气化剂与固相煤颗粒的总接触面积增大，有利于在表面进行的多相煤气化反应发生，气化率提高。

3  小结

通过研究发现，立式反应器中等离子体煤气化过程的较优操作条件（在其它条件一定的条件下）为反应器结构为4，供煤速率为6.66kg/h，水蒸气供量为10.00kg/h，煤粉粒度为75μm。

参考文献

[1] 王胜，申曙光，庞先勇，等。等离子煤气化工艺条件下弧温计算和试验对比[J]，煤炭转化，2002，25 ( 4) ：27~ 31

[2] 邱介山，何孝军，马腾才。煤的水蒸气等离子体气化研究现状和前景[J]，煤炭转化，2002，25（4) ： 1~ 7

[3] XIE Kechang , LU Yongkang , TIAN Yajun. Study o f coal conversion in an arc plasma jet[J] . Energy Sources, 2002 , 24( 12 ) : 1093-1098

[4] 李松栋，庞先勇，鲍卫仁，等。煤在新型等离子体反应器内的气化[J]，太原理工大学学报，2004，35（5）：510-512

[5] 申曙光，王胜，庞先勇，等。煤在直流电弧等离子体中的气化[J]，煤炭转化，2003，26（1）：45-47

      来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第2期  在线投稿  >>