k p i n v e s t i g a t i o no ng a s i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f p u l v e r i z e dc o a li n e n t r a i n e df l o wg a s i f i e rb a s e do nf l a m e l e s so x i d a t i o n b y 但nd a z h u i b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g l n t h e r m a le n e r g ye n g i n e e r i n g l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc h e nd o n g l i n m a y , 2 0 1 1 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的 研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或 集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均 己在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名：每- 夫鋸日期：洌年歹月沾日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保 留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借 閱。本人授權(quán)長(zhǎng)沙理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù) 進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 l 、保密口，在年解密后適用本授權(quán)書(shū)。 2 、不保密團(tuán)。 ( 請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“ ) 作者簽名：友乒搬e t i 蓼i ： d 年歲月沙日 導(dǎo)師簽名： 摘要 本課題以干煤粉的潔凈高效氣化為背景，結(jié)合無(wú)焰氧化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和實(shí)現(xiàn)途 徑分析，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套以基于無(wú)焰氧化的氣流床粉煤氣化爐為主體的實(shí)驗(yàn)系 統(tǒng)，并在爐內(nèi)進(jìn)行了冷態(tài)流場(chǎng)測(cè)試和熱態(tài)煤粉氣化實(shí)驗(yàn)： 首先，根據(jù)前人總結(jié)的無(wú)焰氧化的實(shí)現(xiàn)條件，設(shè)計(jì)了一臺(tái)基于無(wú)焰氧化的氣 流床氣化爐，并以此為主體，在經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算和方案優(yōu)化后，確定了整個(gè)無(wú)焰氧 化氣化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，包括氣化爐本體、鼓風(fēng)機(jī)、給粉系統(tǒng)、氣化劑供應(yīng) 系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、煤氣輸送系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)和 控制及報(bào)警系統(tǒng)共十部分，最后根據(jù)此方案建立了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。 其次，以常溫空氣為工質(zhì)，在冷態(tài)條件下使用熱線風(fēng)速儀測(cè)量了單噴嘴切向 進(jìn)氣、單層雙噴嘴錯(cuò)位切向進(jìn)氣、雙層四噴嘴分級(jí)錯(cuò)位切向進(jìn)氣和三層六噴嘴分 級(jí)錯(cuò)位切向進(jìn)氣等四種工況下氣化爐內(nèi)四個(gè)不同高度水平截面上3 6 個(gè)測(cè)點(diǎn)的切 向速度和最下層測(cè)量平面上9 個(gè)測(cè)點(diǎn)的徑向速度，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)爐內(nèi)氣流的 運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了在該氣化爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度梯度場(chǎng)的可行性， 從冷態(tài)流場(chǎng)角度為在爐內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)常溫空氣無(wú)焰燃燒提供了重要支撐。 最后，在氣化爐內(nèi)進(jìn)行了干煤粉的氣化特性實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了單層、雙層和三層 噴嘴進(jìn)料工況下氧碳原子比從o 8 增加到1 2 時(shí)氣化爐內(nèi)溫度場(chǎng)、合成氣組分濃 度和流速，最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了氧碳原子比和進(jìn)料方式對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)、合成 氣組分濃度、干煤氣熱值、碳轉(zhuǎn)化率、冷煤氣效率以及煤耗等指標(biāo)的影響，并最 終確定三級(jí)錯(cuò)位進(jìn)料工況下氧碳原子比為1 0 時(shí)氣化工藝參數(shù)最佳，此時(shí)爐內(nèi)溫 度場(chǎng)均勻，平均溫度較高，絕大部分區(qū)域不低于l1 5 0 ，爐膛下部反應(yīng)空間溫度 梯度最小，不超過(guò)8 1 2 ，并且有效氣組分( c o + h 2 ) 濃度、合成氣熱值和冷煤氣 效率均達(dá)最大值，分別為3 5 3 、4 4 7 7k j n m 3 和7 5 2 9 ，碳轉(zhuǎn)化率也處于較高 水平，達(dá)到9 2 8 6 ，而c 0 2 和n 2 濃度則處于相對(duì)較低水平。這些氣化指標(biāo)表明 本氣化爐的結(jié)構(gòu)和進(jìn)料方式使?fàn)t內(nèi)實(shí)現(xiàn)了具有無(wú)焰氧化特征的煤粉氣化反應(yīng)，滿 足了高效氣化的技術(shù)指標(biāo)，證明了在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行煤粉的無(wú)焰氧化氣化 特性研究的可行性，為今后更加深入和細(xì)致的研究奠定了理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：無(wú)焰氧化；氣流床；煤粉；煤氣化；氣化爐 a b s t r a c t as e to fe n t r a i n e df l o wg a s i f i e re x p e r i m e n t a ls y s t e mb a s e do nf l a m e l e s so x i d a n t i o nw a s d e s i g n e da n dd e v e l o p e df o rc l e a na n de f f i c i e n tg a s i f i c a t i o no fp u l v e r i z e dc o a la c c o r d i n gt o t e c h n i c a la d v a n t a g e sa n dr e a l i z i n ga p p r o a c h e sa n a l y s i so ff l a m e l e s so x i d a t i o n t e s t so fa i r f l o wc h a r a c t e r i s t i c su n d e rc o l ds t a t ea n dg a s i f i c a t i o ne x p e r i m e n t so fp u l v e r i z e dc o a lw e r e c a r r i e do u ti nt h eg a s i f i e r f i r s to fa l l ，b a s i n go nt h ec o n d i t i o n so ff l a m e l e s so x i d a t i o n , as c h e m eo fe n t r a i n e df l o w g a s i f i c a t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mw a sc o n f i r m e da f t e rd e s i g n , c a l c u l a t i o na n do p t i m i z a t i o n , w h i c hm a i n l yi n c l u d e dg a s i f i e r , b l o w e r , p u l v e r i z e dc o a lt r a n s p o r t i o nd e v i c e ，g a s i f i c a t i o n a g e n ts u p p l yd e v i c e ，g a st r a n s m i s s i o nd e v i c e ，m e a s u r i n gd e v i c e , d a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gd e v i c e t h e nt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mw a ss e tu pa c c o r d i n gt ot h es c h e m e s e c o n d l y , t a n g e n t i a lv e l o c i t yo f3 6p o i n t so nf o u rd i f f e r e n th e i g h tl e v e l sa n dr a d i a l v e l o c i t yo f9p o i n t so nt h eg - gl e v e lw e r et e s t e du n d e rf o u re o n d i t o n s ：s i n g l en o z z l e t a n g e n t i a lf l o wj e t ，d o u b l es y m m e t r i c a l l yn o z z l e st a n g e n t i a lf l o wj e to ns i n g l e - l a y e r , f o u r s y m m e t r i c a l l ys t a g e d f e e d i n gn o z z l e st a n g e n t i a lf l o wj e to nt w ol a y e r sa n ds i xs y m m e t r i c a l l y s t a g e d f e e d i n gn o z z l e st a n g e n t i a lf l o wj e to nt h r e el a y e r s r s t h e nf l o wc h a r a c t e r i s t i c so f a i r f l o wi nt h eg a s i f i e rw a sa n a l y z e db yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，w h i c hs h o w e dt h a tar o t a t i o n v e l o c i t yg r a d i e n tf i e l dc a l lb ef o r m e di nt h eg a s i f i e r f i n a l l y ，g a s i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c se x p e r i m e n t so fd r yp u l v e r i z e dc o a lw e r ec a r r i e do u t o nt h e g a s i f i c a t i o ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，t h et e m p e r a t u r ef i e l d ，s y n g a sc o m p o n e n t s c o n c e n t r a t i o na n df l o wr a t e ，c a l o r i f i cv a l u eo fd r yg a s ，c a r b o nc o n v e r s i o n , c o l dg a se f f i c i e n c y a n dc o a lc o n s u m p t i o nw e r em e a s u r e da n dc a l c u l a t e du n d e rd i f f e r e n t 【o c 】a t o mr a t i o sa n d f e e d i n gc o n d i t i o n s ，t h e nt h ei n f l u e n c e so fc h a n g i n g o c 】a t o mr a t i oa n df e e d i n gc o n d i t i o n o ng a s i f i c a t i o nt e c h n i c i n d e x e sm e n t i o n e da b o v ew e r ea n a l y z e d ，a n de v e n t u a l l yc o n f i r m e dt h e b e s tg a s i f i c a t i o np a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e dw h e nt h e o c 】a t o mr a t i ow a s1 0u n d e r c o n d i t o no fs y m m e t r i c a l l ys t a g e d - f e e d i n gn o z z l e so nt h r e el a y e r s r s t h e s eg a s i f i c a t i o n i n d e x e ss h o w e dt h a tt h es t r u c t u r ea n df e e d i n gw a yc a nr e a l i z eg a s i f i c a t i o nr e a c t i o nw i t h f l a m e l e s so x i d a n tc h a r a c t e r i s t i co fp u l v e r i z e dc o a li nt h eg a s i f i e ra n dm e e tt h es i g n i f i c i a n t t e c h n i c a li n d i c a t o rw h i c hw a sh i g hg a s i f i c a t i o ne f f i c i e n c y , m a n i f e s t e dt h ef e a s i b i l i t yo f r e s e a r c ho nt h ef l a m e l e s so x i d a n tg a s i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h ei n v e s t i g a t i o na c c u m u l a t e d p r e c i o u se x p e r i e n c ef o rt h o r o u g ha n dm e t i c u l o u sr e s e a r c hi nf u t u r e k e y w o r d s ：f l a m e l e s so x i d a t i o n ；e n t r a i n e df l o wb e d ；p u l v e r i z e dc o a l ；c o a lg a s i f i c a t i o n ； g a s i f i e r i i 目錄 摘要i a b s t r a c t i i 第一章緒論 1 1 課題研究背景1 1 2 煤氣化技術(shù)研究概況2 1 2 1 煤氣化技術(shù)種類(lèi)2 1 2 2 先進(jìn)氣流床氣化技術(shù)5 1 3 基于無(wú)焰氧化的氣化與燃燒技術(shù)7 1 4 主要研究?jī)?nèi)容9 第二章含碳物料氣化的基本理論 2 1 含碳物料的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)1 0 2 1 1 物理結(jié)構(gòu)1 0 2 1 2 化學(xué)結(jié)構(gòu)1 0 2 2 氣化原理1 0 2 2 1 氣化過(guò)程1 0 2 2 2 氣化基本反應(yīng)1 3 2 2 3 氣化反應(yīng)機(jī)理1 3 2 3 氣化反應(yīng)的主要影響因素1 4 2 3 1 變質(zhì)程度飛1 4 2 3 2 孔結(jié)構(gòu)1 4 2 3 3 礦物質(zhì)1 5 2 3 4 氣化溫度1 6 2 3 5 氣化壓力1 6 2 3 6 升溫速率1 7 2 4 小結(jié)1 7 第三章無(wú)焰氧化氣流床粉煤氣化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 3 1 氣流床氣化爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案1 8 3 1 1 無(wú)焰氧化氣化實(shí)驗(yàn)爐設(shè)計(jì)1 8 3 1 2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2 0 3 2 氣流床氣化爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算2 2 3 2 1 爐膛熱負(fù)荷2 2 3 2 2 物料平衡計(jì)算2 3 3 2 3 氣流床氣化爐輔助設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算2 3 3 2 4 系統(tǒng)通風(fēng)阻力計(jì)算2 6 3 3 氣流床氣化爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)化2 9 3 3 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案優(yōu)化2 9 3 3 2 系統(tǒng)組成及設(shè)備型號(hào)3 0 3 3 3 數(shù)據(jù)采集及處理平臺(tái)3 2 3 4 小結(jié)3 4 第四章氣化爐冷態(tài)實(shí)驗(yàn) 4 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 5 4 2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)試方法3 5 4 3 實(shí)驗(yàn)工況3 6 4 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析3 7 4 4 1 單噴嘴切向進(jìn)氣工況下切向速度場(chǎng)3 7 4 4 2 單層雙噴嘴錯(cuò)位切向進(jìn)氣工況下切向速度場(chǎng)3 8 4 4 3 雙層四噴嘴分級(jí)錯(cuò)位切向進(jìn)氣工況下切向速度場(chǎng)3 9 4 4 4 三層六噴嘴分級(jí)錯(cuò)位切向進(jìn)氣工況下切向速度場(chǎng)4 l 4 4 5 四種工況下g - g 截面徑向速度場(chǎng)4 2 4 5 小結(jié)4 3 第五章煤粉無(wú)焰氧化氣化實(shí)驗(yàn)研究 5 1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 5 5 2 實(shí)驗(yàn)煤種特性4 5 5 3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及測(cè)試方法4 5 5 4 實(shí)驗(yàn)工況4 9 5 5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析4 9 5 5 1 爐內(nèi)溫度場(chǎng)4 9 5 5 2 合成氣組分濃度5 6 5 5 3 合成氣熱值5 8 5 5 4 碳轉(zhuǎn)化率5 9 5 5 5 冷煤氣效率6 0 5 5 6 煤耗6 l 5 6 小結(jié)6 2 總結(jié)與展望6 4 參考文獻(xiàn)6 6 致讖1 q 附錄( 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文目錄) 7 1 1 1 課題研究背景 第一章緒論 我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是富煤、缺油、少氣，在常規(guī)能源中，煤炭?jī)?chǔ)量占9 0 以上，是我國(guó)最主要的一次能源，2 0 0 9 年全國(guó)煤炭產(chǎn)量3 0 5 億噸，占世界的4 5 6 ， 占我國(guó)一次能源生產(chǎn)總量的7 7 3 、消費(fèi)總量的7 0 4 t 。煤炭工業(yè)“十一五一 發(fā)展規(guī)劃指出“煤炭是我國(guó)的主體能源，煤炭工業(yè)是關(guān)系能源安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì) 命脈的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè) 。在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，我國(guó)以煤為主的能源供應(yīng)和消 費(fèi)格局難以改變，隨著煤炭增長(zhǎng)方式的轉(zhuǎn)變、煤炭用途的擴(kuò)展，煤炭的戰(zhàn)略地位 更加重要。能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃綱要提出，要大力調(diào)整和優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，堅(jiān) 持以煤炭為主體、電力為中心、油氣和新能源全面發(fā)展的戰(zhàn)略，進(jìn)步明確了煤 炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的主體地位。據(jù)預(yù)測(cè)，到2 0 5 0 年我國(guó)一次能源需求量將達(dá) 到5 0 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而煤炭所占據(jù)的比例仍將在5 0 左右【2 j ?？梢?jiàn)，至少在未來(lái) 5 0 年內(nèi)，煤炭仍將處在我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的重要地位。 但截至2 0 0 9 年，我國(guó)煤炭資源的探明可采儲(chǔ)量為3 1 8 9 6 億噸，按當(dāng)前產(chǎn)量 的儲(chǔ)采比為1 0 5 年，僅約為世界平均2 0 0 年的一半，必須考慮合理、節(jié)約地使用， 延長(zhǎng)其使用期限，否則在不遠(yuǎn)的將來(lái)，煤炭資源短缺必將成為制約我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì) 發(fā)展的瓶頸【3 1 。并且與世界先進(jìn)水平相比，我國(guó)的煤炭燃燒技術(shù)相對(duì)落后，能耗 偏高，綜合利用效率較低，約為西歐國(guó)家的7 5 ，美國(guó)的5 8 8 ，日本的5 2 6 ， 具有巨大的提升空間；而且全國(guó)s 0 2 排放量的9 0 、c 0 2 排放量的7 0 、n o x 排 放量的6 7 都是直接或間接由煤炭燃燒產(chǎn)生的，給環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染【4 j 。所 以改變現(xiàn)有的煤炭利用方式，發(fā)展研究高效低污染的潔凈煤技術(shù)是我國(guó)勢(shì)在必行 的選擇【5 1 。 煤氣化技術(shù)作為潔凈煤技術(shù)的重要研究方向之一，是減少環(huán)境污染、節(jié)約能 源的重要途徑，通過(guò)煤炭氣化可有效的提高熱能利用率，同時(shí)極大的改觀對(duì)環(huán)境 的污染狀況，而且氣化副產(chǎn)品還可以實(shí)現(xiàn)充分利用，例如煤中硫份可轉(zhuǎn)化為煤氣 中的含硫化合物，再經(jīng)凈化脫硫變?yōu)閷氋F的工業(yè)原料；我國(guó)適于氣化的煤炭資源 非常豐富，占全國(guó)煤炭總儲(chǔ)量的7 0 左右，而且在國(guó)家的大力倡導(dǎo)和政策扶持下， 我國(guó)煤氣化技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用都比以往有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，因此發(fā)展煤氣化技術(shù)在 我國(guó)很有必要又很有優(yōu)勢(shì)，煤氣化技術(shù)是中國(guó)煤炭潔凈利用的重要途徑之一【6 j 。 1 2 煤氣化技術(shù)研究概況 1 2 1 煤氣化技術(shù)種類(lèi) 煤氣化技術(shù)指煤與氣化劑在一定溫度、壓力條件下發(fā)生反應(yīng)生成煤氣，0 2 ， h 2 0 或c 0 2 均可作為氣化劑，煤氣的主要成分包括c o 和h 2 等【。7 引。和一般的煤利用 方式比，煤氣化產(chǎn)生的污染物只有少量的h 2 s 、n h 3 等，不僅容易進(jìn)行排污處理， 而且灰渣可以在處理后實(shí)現(xiàn)綜合利用，故很多國(guó)家都在積極發(fā)展煤氣化技術(shù)【7 。1 0 】。 美國(guó)在2 0 世紀(jì)6 0 年代制定了潔凈煤技術(shù)示范計(jì)劃，日本也提出了潔凈煤技術(shù)發(fā)展 計(jì)劃，我國(guó)則將其列為國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) ：i 的重要內(nèi)容。在這些國(guó)家政策的扶持下，許多先進(jìn)的煤氣化技術(shù)被研發(fā)成功【7 1 。 世界上的煤氣化工藝可大致分為五類(lèi)：固定床氣化技術(shù)、流化床氣化技術(shù)、氣流 床氣化技術(shù)、熔融床氣化技術(shù)和地下煤炭氣化技術(shù)【5 。8 】，其中后兩者仍處于研發(fā) 階段，短時(shí)間內(nèi)還不能應(yīng)用于工程實(shí)踐。 煤 灰分 氣體 ( a ) 移動(dòng)床 殘留炭殘留炭 ( b ) 流化床 ( c ) 氣流床 圖1 1 三種主要?dú)饣绞绞疽鈭D 1 2 1 1 移動(dòng)床煤氣化 如圖1 1 ( a ) 所示，移動(dòng)床煤氣化是將塊煤或碎煤從氣化爐爐頂加入，并以很 2 慢的速度向下移動(dòng)，與從爐底進(jìn)入的氣化劑( 0 2 和h 2 0 ) 逆流接觸進(jìn)行氣化反應(yīng)的 氣化工藝。此種氣化過(guò)程進(jìn)行的比較完全，技術(shù)成熟，灰渣中殘?zhí)可?，氣化效?高，是一種理想的氣化方式，但單爐氣化能力小，煤種適應(yīng)性差，對(duì)原料的顆粒 度有一定要求( 5 。4 0 r a m ) ，煤氣中夾帶焦油、酚類(lèi)物質(zhì)等副產(chǎn)物較多，環(huán)境友好性 差，運(yùn)行操作復(fù)雜。移動(dòng)床氣化技術(shù)可分為常壓與加壓兩種，常壓法比較簡(jiǎn)單， 但要求用塊煤，低灰熔點(diǎn)的煤難以使用。加壓法是常壓法的改進(jìn)和提高，常用 0 2 與水蒸氣作氣化劑，對(duì)煤種適應(yīng)性大大提高【7 , 8 , 1 1 , 1 2 】。 移動(dòng)床氣化的主要代表工藝有常壓固定床氣化技術(shù)、加壓固定床氣化技術(shù)和 高溫熔渣煤氣化技術(shù)【1 3 】。魯奇爐( l u r g i ) 是典型的加壓固定床氣化技術(shù)，該技術(shù)成 熟，能利用高灰分煤并且能在2 4 1 m p a 壓力下運(yùn)行，適合合成液體燃料，可節(jié)約 投資和能耗，產(chǎn)品氣可做城市煤氣，但因?yàn)闅怏w成分中甲烷含量高( 8 1 0 ) ， 不適宜生產(chǎn)合成氣，而且生產(chǎn)流程長(zhǎng)，投資大。 1 2 1 2 流化床煤氣化 如圖1 1 ( b ) 所示，流化床煤氣化的氣化劑從底部鼓入，在合適的氣化劑速度 和煤料粒度下，碎煤懸浮于爐內(nèi)高溫沸騰狀態(tài)的上升氣流中進(jìn)行氣化反應(yīng)，由于 氣、固之間良好的返混和接觸，其傳熱和傳質(zhì)速率都很高，從而使得煤料層內(nèi)溫 度和組成比較均勻。流化床技術(shù)適用于o 5 6 m m 范圍內(nèi)的低階煤和褐煤的氣化， 灰分較高的劣質(zhì)煤也可以適用，但不希望l m m 以下的細(xì)粉過(guò)多；爐內(nèi)溫度不高， 煤氣出口溫度約為9 0 0 c ，材料使用范圍廣；空氣、氧或富氧均可作為氣化劑， 產(chǎn)生的煤氣為低或中熱值，焦油和酚類(lèi)含量少，凈化系統(tǒng)簡(jiǎn)單，污染少，可以進(jìn) 行爐內(nèi)脫硫，環(huán)保性能好，總的造價(jià)低。流化床氣化過(guò)程易于控制，有利于大規(guī) 模生產(chǎn)，但操作溫度偏低，熱損大，灰渣含碳量高。另外，為了回收利用飛灰和 灰渣，還需要建立輔助的沸騰燃燒爐，設(shè)備復(fù)雜【5 】。 流化床氣化爐的代表有德國(guó)的高溫溫克勒( h t w ) ，美國(guó)的灰團(tuán)聚( u g a s ) 、魯 奇公司的循環(huán)流化床( c f b g ) 以及中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研發(fā)的灰熔聚 氣化爐等。目前應(yīng)用較成功的是循環(huán)流化床氣化爐和灰熔聚氣化爐。循環(huán)流化床 氣化爐適用氣化原料廣泛，以水蒸氣和0 2 作氣化劑，氣化較完全，氣化強(qiáng)度大， 碳轉(zhuǎn)化率高( 9 7 ) ，灰渣含碳量2 3 。山西煤化所獨(dú)立研發(fā)的灰熔聚氣化爐 屬單段流化床爐，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤種適應(yīng)范圍廣，對(duì)煤的灰熔點(diǎn)要求低，缺點(diǎn)是碳 轉(zhuǎn)化率較低，但總體處于國(guó)際先進(jìn)水平。 1 2 1 3 氣流床煤氣化 如圖1 1 ( c ) 所示，粉煤氣流床氣化工藝通過(guò)特殊的噴嘴將干粉或水煤漿與氣 化劑均勻摻混后高速?lài)娙霘饣癄t，處于灰熔點(diǎn)以上的煤料在極短時(shí)間內(nèi)與氣化劑 發(fā)生燃燒和氣化反應(yīng)，迅速完成膨脹、軟化、熱解、氣化及熔渣過(guò)程，灰渣以液 態(tài)形式排出氣化爐。氣流床氣化的最大特點(diǎn)是粉煤氣化過(guò)程中煤粒各自被氣流隔 開(kāi)，具有較大的反應(yīng)表面積，燃料的粘結(jié)性對(duì)氣化過(guò)程沒(méi)有影響。該氣化技術(shù)要 求煤粉粒度在0 1 m m 以下，煤粒在爐內(nèi)停留時(shí)間短，一般在1 - - 1 0 s ，氣化溫度可 達(dá)1 5 0 0 - - 18 0 0 ，反應(yīng)時(shí)間約為l 1 5 秒左右，火焰區(qū)溫度高達(dá)2 0 0 0 。在高 溫下，所有干餾產(chǎn)物都迅速分解，轉(zhuǎn)變?yōu)樗簹夥磻?yīng)的組分，因而生成的煤氣中 只含有很少的c h 4 ( 0 3 ) 。為了維持較高的反應(yīng)溫度，采用0 2 和少量的水作 為氣化劑【 d5 1 。 氣流床氣化的優(yōu)點(diǎn)在于煤在氣化爐中的停留時(shí)間短，單臺(tái)設(shè)備處理能力大， 煤種適應(yīng)性強(qiáng)，煤氣處理系統(tǒng)簡(jiǎn)單，煤氣不含焦油、酚類(lèi)及重?zé)N化合物，無(wú)污染 物的排放；缺點(diǎn)是飛灰?guī)С隽看螅璨捎醚h(huán)回爐的方法提高碳轉(zhuǎn)化率，出爐煤 氣溫度高，約為1 4 0 0 1 5 0 0 ，顯熱損失大【5 , 1 5 j 。 氣流床氣化技術(shù)主要分為水煤漿技術(shù)和干煤粉技術(shù)兩大類(lèi)。目前國(guó)內(nèi)氣流床 氣化技術(shù)已和國(guó)外技術(shù)處于相同水平，在水煤漿氣化技術(shù)方面，有多元料漿加壓 氣化技術(shù)、多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化技術(shù)等；在干煤粉氣化技術(shù)領(lǐng)域，有四噴嘴 干粉氣化技術(shù)、兩段式干粉氣化技術(shù)等 1 2 1 。 德士古( t e x a c o ) 爐是一種最先實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的水煤漿氣流床氣化爐，因其進(jìn)料 方式簡(jiǎn)單，工程問(wèn)題少，近些年得到長(zhǎng)足的進(jìn)步，氣化處理量8 0 0 t d 1 5 0 0 t d ，操 作壓力3 1 8 m p a 6 1 5 m p a t l 6 j 。 干煤粉氣流床氣化技術(shù)的代表s h e l l 爐碳轉(zhuǎn)化率達(dá)9 8 以上，產(chǎn)品氣中c o + h 2 含量達(dá)9 0 以上，適宜作合成氣，特別是c 0 2 含量相當(dāng)少，氣化產(chǎn)物中無(wú)焦油 等有害成分，冷煤氣效率比濕法進(jìn)料約高2 ，單爐生產(chǎn)能力可達(dá)2 0 0 0 t d i 】。 表1 1 不同煤氣化類(lèi)型典型工藝的技術(shù)性能比較計(jì)算參數(shù) 主要參數(shù)固定床氣化流化床氣化氣流床氣化 氣化壓力m p ao 0 18 0 0 21 0 3 02 0 4 0 氣化溫度 9 0 0 1 0 0 01 0 0 0 1 1 0 01 4 0 0 1 7 0 0 氣化劑 空氣、蒸汽 空氣、蒸汽、氧氣氧氣、蒸汽 適應(yīng)煤種無(wú)煙煤生物質(zhì)、褐煤、煙煤半褐煤、煙煤、石油焦 焦 煤粒度n u n 1 5 5 00 6 0 9 0 d , 于o 1 5 含水量肱 8 0 1 2 0 1 2 0 0 1 2 5 0f t 1 3 5 0 氣化爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，爐內(nèi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部簡(jiǎn)單，爐內(nèi)無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件復(fù)雜，廢鍋制造要求高 件 單爐生產(chǎn)能力t d - 1 5 0 1 2 07 2 0 2 0 6 01 0 0 0 2 6 0 0 排渣方式固態(tài)固態(tài)液態(tài) 4 灰渣含碳量 2 0 0 l o 0 0 0 h 氣化爐內(nèi)襯 耐火磚耐火磚水冷壁+ 涂層水冷壁+ 涂層 內(nèi)襯壽命年 23 8 8 冷煤氣效率惕 7 1 7 67 4 7 88 0 8 38 0 8 3 碳轉(zhuǎn)化率 9 6 9 8 9 8 9 8 9 8 單爐最大出力t d - 1 2 2 0 0 2 4 0 02 5 0 02 0 0 02 6 0 0 最大容量氣化爐的最 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 l 0 0 0 0 長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間m 存在的問(wèn)題噴嘴、耐火磚壽噴嘴、耐火磚壽黑水處理系統(tǒng)待改供料系統(tǒng)待改進(jìn) 命短，全熱回收命短，黑水處理 進(jìn) 系統(tǒng)和黑水處理系統(tǒng)尚待改進(jìn) 系統(tǒng)尚待改進(jìn) 4 種大型氣流床氣化爐綜合分析評(píng)價(jià)見(jiàn)表1 2 。綜上所述，干煤粉進(jìn)料氣化與 水煤漿進(jìn)料氣化相比，前者具有煤種適用性廣、冷煤氣效率高、碳轉(zhuǎn)化率高、合 成氣有效成分高、比煤耗和比氧耗低、單爐容量大等特點(diǎn)，代表著煤氣化工藝技 術(shù)發(fā)展的主流方向，有著廣闊的發(fā)展前景【引。 1 3 基于無(wú)焰氧化的氣化與燃燒技術(shù) 無(wú)焰氧化也就是無(wú)焰燃燒，該技術(shù)不使用外部熱源而只通過(guò)回收再利用燃燒 產(chǎn)熱或高溫余熱來(lái)預(yù)熱反應(yīng)物，使反應(yīng)體系的整體溫度水平顯著升高，隨著高溫 煙氣余熱利用效率的提高，燃燒溫度及強(qiáng)度明顯提升，煙氣排放溫度顯著降低， 燃燒效率得到極大提高【l 黏2 1 1 。無(wú)焰氧化技術(shù)與傳統(tǒng)燃燒技術(shù)相比，其火焰特征發(fā) 生了重大變化，沒(méi)有明顯的火焰前沿或舌形火焰；整個(gè)燃燒室溫度分布均勻，無(wú) 局部高溫或低溫區(qū)，溫度梯度下降，溫差大大減小。它的顯著優(yōu)點(diǎn)在于其節(jié)能與 7 環(huán)保的雙重優(yōu)越性，反應(yīng)區(qū)域溫度分布均勻，平均溫度水平升高，爐內(nèi)溫度峰值 顯著降低，提高了燃燒效率；氧化反應(yīng)強(qiáng)度增大，燃燒完全，擴(kuò)展了燃料的燃燒 范圍，節(jié)約能源；通過(guò)控制燃燒室溫度，可將排煙中n o x 濃度控制在很低的水 平，減輕了環(huán)境污染；同時(shí)，還可以降低燃燒噪音和燃燒設(shè)備尺寸等【2 2 2 4 1 。 自2 0 世紀(jì)9 0 年代以來(lái)，無(wú)焰氧化技術(shù)因其在節(jié)能環(huán)保方面的巨大優(yōu)勢(shì)在國(guó) 際上得到迅猛發(fā)展，并形成了多種技術(shù)流派，如美國(guó)的“低氮氧化物噴射燃燒 技術(shù)、日本的高溫空氣燃燒技術(shù)、德國(guó)的“無(wú)焰氧化技術(shù)和意大利的“中度與 強(qiáng)化的低氧稀釋 燃燒技術(shù)以及中國(guó)的常溫空氣無(wú)焰燃燒技術(shù)等，適用燃料也由 原來(lái)的氣體燃料拓展到液體和固體燃料【5 】。 國(guó)內(nèi)一些科研院所從上世紀(jì)9 0 年代起對(duì)無(wú)焰燃燒技術(shù)進(jìn)行研究，但基本上 都是在跟蹤研究高溫空氣燃燒技術(shù)，該技術(shù)雖已在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用，并取得 了巨大的商業(yè)成功，但仍具有較大的局限性，例如不適用于煤粉、生物質(zhì)、城市 垃圾和污泥等燃料。對(duì)此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)根據(jù)無(wú)焰氧化的基本思想，對(duì)無(wú)焰 燃燒的機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致研究，成功開(kāi)發(fā)了一種新型常溫空氣無(wú)焰燃燒技術(shù)，該技 術(shù)的創(chuàng)新之處在于不需預(yù)熱就可實(shí)現(xiàn)常溫空氣在整個(gè)燃燒室內(nèi)的無(wú)焰燃燒，主要 表現(xiàn)在：火焰顏色為藍(lán)綠色而且體積成倍擴(kuò)大，爐內(nèi)局部高溫區(qū)接近消失，平均 溫度升高，燃燒效率大大提高，n o x 排放濃度超低【2 2 五4 1 。該技術(shù)在保留傳統(tǒng)高溫 空氣燃燒技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，簡(jiǎn)化了無(wú)焰燃燒的實(shí)現(xiàn)條件，避免了燃燒過(guò)程的脈動(dòng)， 從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定燃燒。 常溫空氣無(wú)焰燃燒技術(shù)相較于高溫空氣無(wú)焰燃燒技術(shù)而言，既保留了其優(yōu) 點(diǎn)，又克服了其缺陷，具體特性如下【2 3 j ： ( 1 ) 高效節(jié)能。該技術(shù)使常溫空氣與煙氣迅速混合并升溫，并通過(guò)增加爐 內(nèi)輻射換熱極限回收高溫?zé)煔獾娘@熱，把排煙熱損失降低到最小值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳 統(tǒng)的熱回收率。噴入的氧體積濃度可低至2 - 5 ，同時(shí)燃料在極短時(shí)間內(nèi)升溫至 著火點(diǎn)以上，燃料與氧氣一接觸便迅速燃燒，燃燒效率高達(dá)9 9 以上。燃燒區(qū)域 的高溫低氧燃燒使得火焰體積成倍增大，爐內(nèi)溫度分布均勻，平均溫度大大提高， 受熱面受熱均勻，加熱速度增快，換熱效率提高到9 2 以上，與國(guó)內(nèi)外同噸位燃 氣或燃油鍋爐相比，熱效率至少提高4 。該技術(shù)一方面可以減少燃料消耗量， 節(jié)約燃料，另一方面，在相同爐膛熱負(fù)荷下，燃燒區(qū)域變小，散熱面積和散熱損 失降低，從而將燃料熱能利用率提高，達(dá)到節(jié)能的目的。 ( 2 ) 污染超低。燃燒效率的大幅提高使得煙氣中c m h n 濃度為0 ，c o 濃度 1 0 x1 0 一，與大氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)；燃料節(jié)約達(dá)3 0 - - 一6 0 ， c 0 2 的排放量顯 著降低；n o x 排放濃度小于1 0 一，比傳統(tǒng)燃燒降低2 3 以上，而且比當(dāng)今最先進(jìn) 的低n o x 分級(jí)燃燒技術(shù)還低；煙氣中s o x 濃度小于3 1 0 一；粉塵排放濃度低于 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；排煙溫度明顯降低，熱污染減弱。 8 ( 3 ) 經(jīng)濟(jì)效益好。爐內(nèi)換熱效率的提高，可縮小相同產(chǎn)量設(shè)備的尺寸，從 而降低初期設(shè)備投資；燃燒區(qū)溫度分布均勻，無(wú)局部高溫區(qū)，爐壁不會(huì)受到高溫 灼燒，使?fàn)t膛的使用壽命延長(zhǎng)；燃燒污染物排放濃度降低，煙氣再處理設(shè)備減少， 節(jié)約占地面積和投資費(fèi)用。 ( 4 ) 安全性高。鍋爐爐膛溫度分布均勻，避免了局部過(guò)熱、過(guò)燒及材料的 腐蝕現(xiàn)象發(fā)生，有利于使工業(yè)加熱爐中被加熱部件均勻受熱，運(yùn)行更加安全可靠； 無(wú)需復(fù)雜的蓄熱室和換向機(jī)構(gòu)預(yù)熱空氣，不存在應(yīng)用高溫空氣燃燒技術(shù)時(shí)煙氣中 微小粉塵對(duì)頻繁動(dòng)作的部件產(chǎn)生磨損的問(wèn)題，從而增加了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。 ( 5 ) 應(yīng)用范圍更廣。不僅可以在工業(yè)窯爐等高溫排氣熱能設(shè)備中產(chǎn)生顯著 的節(jié)能和環(huán)保效益，還適用于鍋爐和水泥爐窯等低溫( 低于8 0 0 ) 排氣爐，不 僅能直接燃燒和氣化煤粉、生物質(zhì)和污泥等固體燃料，還可以應(yīng)用于高爐煤氣、 劣質(zhì)煤等低熱值燃料的燃燒，從而比高溫空氣燃燒技術(shù)具有更廣闊的應(yīng)用前景。 綜上所述，將常溫空氣無(wú)焰燃燒技術(shù)應(yīng)用于氣流床干煤粉氣化領(lǐng)域，將極大 的提高氣化效率、減少污染物排放，促進(jìn)煤氣化技術(shù)的進(jìn)步，并最終推動(dòng)我國(guó)節(jié) 能環(huán)保領(lǐng)域的發(fā)展。 1 4 主要研究?jī)?nèi)容 鑒于煤在我國(guó)能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中無(wú)可替代的作用，解決其氣化技術(shù)難 題，對(duì)我國(guó)具有重要的戰(zhàn)略意義，故本課題結(jié)合無(wú)焰氧化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在煤的潔 凈高效氣化的大背景下，試圖研究一種基于常溫空氣無(wú)焰氧化的氣流床粉煤氣化 技術(shù)，使煤粉在氣化爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)焰氧化氣化反應(yīng)，在降低爐內(nèi)溫度梯度的同時(shí)提 高平均溫度水平，最大程度的提高氣化效率和有效氣成分。因此，本課題的研究 工作主要包括以下內(nèi)容： ( 1 ) 根據(jù)對(duì)無(wú)焰氧化反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)途徑分析，設(shè)計(jì)一種基于常溫空氣無(wú)焰氧 化技術(shù)的氣流床粉煤氣化爐，并以之為主體，搭建一套粉煤氣化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)； ( 2 ) 進(jìn)行無(wú)焰氧化氣化爐的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，了解其氣流 特性，為熱態(tài)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)料參數(shù)提供指導(dǎo)； ( 3 ) 進(jìn)行無(wú)焰氧化氣化爐的粉煤氣化特性研究，設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)工況，以 測(cè)試各種工況下的爐內(nèi)溫度場(chǎng)、合成氣組分濃度及流速，并對(duì)干煤氣熱值、碳轉(zhuǎn) 化率、氣化效率等指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和分析，探索實(shí)現(xiàn)具有無(wú)焰氧化特征的高效粉煤 氣化反應(yīng)的最佳運(yùn)行參數(shù)； ( 5 ) 最后為全文總結(jié)，提出本文的主要結(jié)論和不足之處，并為后續(xù)研究指 明方向。 9 第二章含碳物料氣化的基本理論 含碳物料包括煤、生物質(zhì)和垃圾等，其中煤在我國(guó)的含碳物料氣化利用中占 主要地位。含碳物料的氣化是以上述物料為原料，以0 2 、h 2 0 或c 0 2 等作為氣 化劑，在高溫條件下進(jìn)行各種熱化學(xué)反應(yīng)，將物料中可燃部分轉(zhuǎn)化為可燃?xì)獾倪^(guò) 程，氣化時(shí)產(chǎn)生氣體的主要成分包括c o 、h 2 和c h 4 等。煤的氣化主要分為煤的 熱解和焦的氣化兩個(gè)過(guò)程，氣化性能除了受煤質(zhì)本身的影響以外，還主要受氣化 反應(yīng)條件、催化劑等因素的影響。為此，本章將主要以煤為例，對(duì)含碳物料的結(jié) 構(gòu)、氣化反應(yīng)機(jī)理及其影響因素進(jìn)行分析。 2 1 含碳物料的物理和化學(xué)結(jié)構(gòu) 2 1 1 物理結(jié)構(gòu) 氣化過(guò)程中生成的焦炭屬于一種多孔的固體物質(zhì)，孔隙結(jié)構(gòu)是其物理結(jié)構(gòu)的 主要部分，該結(jié)構(gòu)在很大程度上影響了包括吸( 脫) 附特性在內(nèi)的焦炭的很多物 理性質(zhì)，它一般用孔徑、孔隙率和比表面積等物理量值表征【2 5 1 。在煤與生物質(zhì)顆 粒上，孔隙的尺寸從l n m 至u 幾微米不等，變化范圍非常大，可根據(jù)孔徑大小將其 分成三類(lèi)：微孔( 2 0 h m ) ，表面積很小 2 6 - 2 7 1 。 2 1 2 化學(xué)結(jié)構(gòu) 一般認(rèn)為煤的化學(xué)結(jié)構(gòu)單元是一種縮合芳香體系，該體系的核心包括芳環(huán)、 氫化芳環(huán)、脂環(huán)和雜環(huán)等，側(cè)鏈和官能團(tuán)圍繞在其周?chē)?，這些結(jié)構(gòu)單元在二維方 向上相互連結(jié)成平面網(wǎng)絡(luò)，氫鍵締合、范德華力和共價(jià)鍵等使平面網(wǎng)絡(luò)相互疊置， 向三維空間生長(zhǎng)發(fā)育，隨著煤級(jí)增加，芳香層集聚形成更大的芳環(huán)疊片，孔隙結(jié) 構(gòu)從大孔過(guò)渡至中孔，到達(dá)更高的變質(zhì)階段時(shí)以微孔為主【2 8 2 9 】。 2 2 氣化原理 2 2 1 氣化過(guò)程 一般來(lái)說(shuō)，氣化反應(yīng)可分為氣化物質(zhì)中揮發(fā)分的析出( 熱解階段) 和殘余焦炭 的氣化( 生成的焦炭氣化階段) 兩個(gè)過(guò)程，在熱解階段又可分為三個(gè)過(guò)程8 1 ，如圖 2 1 所示： 1 0 ( 1 ) 室溫3 0 0 ( 2 ，為氣化物質(zhì)的干燥脫除過(guò)程； ( 2 ) 3 0 0 6 0 0 ，以解聚和分解反應(yīng)為主，生成亞穩(wěn)態(tài)中間產(chǎn)物； ( 3 ) 6 0 0 1 0 0 0 c ，半焦發(fā)生裂解和縮合反應(yīng)生成焦炭。 圖2 1 煤的熱解過(guò)程示意圖 焦炭氣化階段是氣化的關(guān)鍵步驟，其反應(yīng)速率隨氣化物質(zhì)種類(lèi)、溫度、壓力 等因素而變化，一般可分成兩類(lèi)反應(yīng)模式： ( 1 ) 整體反應(yīng)，一般發(fā)生在多孔固體上或反應(yīng)較慢的場(chǎng)合； ( 2 ) 表面反應(yīng)，一般發(fā)生在反應(yīng)進(jìn)行極快的場(chǎng)合。 該階段反應(yīng)通常必須經(jīng)過(guò)如下7 步【3 0 】： ( 1 ) 反應(yīng)氣體從氣相擴(kuò)散到固體炭表面( 外擴(kuò)散) ； ( 2 ) 反應(yīng)氣體再通過(guò)顆粒的孔道進(jìn)入小孔的內(nèi)表面( 內(nèi)擴(kuò)散) ； ( 3 ) 反應(yīng)氣體分子吸附在固體表面上，形成中間絡(luò)合物； ( 4 ) 吸附的中間絡(luò)合物和氣相分子之間，或吸附的中間絡(luò)合物之間進(jìn)行反應(yīng)， 稱(chēng)為表面反應(yīng)步驟； ( 5 ) 吸附態(tài)的產(chǎn)物從固體表面脫附； ( 6 ) 產(chǎn)物分子通過(guò)固體的內(nèi)部孔道向外擴(kuò)散( 內(nèi)擴(kuò)散) ； ( 7 ) 產(chǎn)物分子從顆粒表面擴(kuò)散到氣相中( 外擴(kuò)散) ； 以上七個(gè)步驟可歸為兩類(lèi)，( 1 ) 、( 2 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 為擴(kuò)散過(guò)程，其中又有外擴(kuò)散 和內(nèi)擴(kuò)散之分：而( 3 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 為吸附、表面反應(yīng)和脫附過(guò)程，本質(zhì)上屬于化學(xué) 過(guò)程，故合稱(chēng)為化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程或表面反應(yīng)過(guò)程，由于各步驟的阻力不同，反應(yīng) 過(guò)程的總速率取決于阻力最大的步驟，即速率最慢的步驟，該步驟就是速度控制 步驟【3 。因此總反應(yīng)速度可由外擴(kuò)散過(guò)程、內(nèi)擴(kuò)散過(guò)程或表面反應(yīng)過(guò)程控制。 溫度是影響反應(yīng)速率的重要因素。如圖2 2 所示，上圖表示氣相和碳反應(yīng)的反 應(yīng)速率的常用對(duì)數(shù)值隨反應(yīng)溫度的倒數(shù)的變化關(guān)系，下圖表示在相應(yīng)情況下反應(yīng) 物在氣固界面和顆粒內(nèi)部物質(zhì)的量濃度分布狀況，r 是顆粒半徑，c ，是反應(yīng)物的 氣相物質(zhì)的量濃度，6 是滯留邊界層厚度。由圖可見(jiàn)，理論上可把氣碳反應(yīng)的反 應(yīng)速率隨反應(yīng)溫度的變化劃分成低溫、中溫、高溫三個(gè)區(qū)域和2 個(gè)過(guò)渡區(qū)【8 】。 ( 1 ) 低溫區(qū)i ：此時(shí)因溫度很低，反應(yīng)速度很慢，表面反應(yīng)過(guò)程是整個(gè)過(guò)程 的控制步驟，稱(chēng)為動(dòng)力區(qū)。反應(yīng)劑物質(zhì)的量濃度在整個(gè)炭顆粒內(nèi)外近似相等，反 槲 制 毯 嘔 里 r i 1 2 e a = e r 2 t l = 1 e a = e r 團(tuán)豳豳豳 圖2 2 多孔炭反應(yīng)速率隨溫度t 變化的三區(qū)域圖 應(yīng)物在固體內(nèi)部仍可能有一定的物質(zhì)的量濃度梯度，但是非常小，表觀活化能e a 等于真活化能西。假設(shè)固體顆粒內(nèi)表面所接觸的反應(yīng)物物質(zhì)的量濃度都是c 。時(shí)的 反應(yīng)速率為r o ，而接觸的反應(yīng)劑只有圖中所示的各種情況時(shí)的實(shí)際反應(yīng)速率為， 則在化學(xué)動(dòng)力區(qū)i = r r 0 = 1 。 ( 2 ) 中溫區(qū)i i ：這時(shí)總過(guò)程的速率由表面反應(yīng)和內(nèi)擴(kuò)散所控制，稱(chēng)為內(nèi)擴(kuò)散 區(qū)。氣相反應(yīng)劑在顆粒內(nèi)部滲入深度遠(yuǎn)小于顆粒半徑r ，化學(xué)反應(yīng)在炭粒表面和 深度為的薄層中進(jìn)行。表觀活化能e = 辱2 ，表面利用系數(shù)r l 1 0 4 k s ) 下增大壓力( 0 0 1 4 2 1 m p a ) 導(dǎo)致煤焦的氣化反應(yīng)性降低 的主要原因是可揮發(fā)性組分在煤焦結(jié)構(gòu)中的停留時(shí)間延長(zhǎng)，從而增大煤焦中碳質(zhì) 結(jié)構(gòu)的流動(dòng)性，結(jié)果是增大煤焦在塑性階段的膨脹度和在固化