半焦孔隙结构的影响因素

第36卷第4期2005年7月

锅 炉 技 术

BOIL ER T ECH NO L OGY

Vol.36,No.4

Jul.,2005

收稿日期:20040712

基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)基金资助项目子课题(G199902210532)

作者简介:周毅(,男,东南大学动力工程系硕士研究生。

文章编号: CN311508(2005)04003405

半焦孔隙结构的影响因素

周 毅, 段钰锋, 陈晓平, 赵长遂, 吴 新

(东南大学动力系洁净煤发电与燃烧技术教育部重点实验室,江苏南京210096)

关键词: 部分气化;半焦;孔隙结构;喷动流化床

摘 要: 用氮气等温吸附(77K)方法测量了原煤及其加压、常压部分气化后半焦的BET 比表面积,并通过BJH 法计算了孔比表面积、孔容积、孔径和孔分布。根据测试结果,从气化操作条件、半焦颗粒粒径、半焦工业分析3方面分析了影响半焦孔隙结构的因素。常压喷动流化床气化中,挥发分析出或热解对半焦孔隙的生成和发展起到主导作用;而加压气化过程中,炭发生的气化反应对半焦孔隙的生成和发展有更加重要的影响。实验中发现在一定的气化工况下,煤焦存在一个合适的颗粒尺寸范围,能形成比较大的孔比表面积和孔容积,有利于增强煤焦的气化反应。

中图分类号: T Q 534 文献标识码: A

1 前言

第二代增压流化床联合循环发电技术采用了煤的部分气化,将产生的中低热值煤气用于提高烟气轮机入口的燃气温度,而煤部分气化后的半焦则送入PFBC 锅炉中燃烧。它克服了第一代增压流化床联合循环系统中燃气轮机入口温度低的弱点,使系统净发电效率可望达到45%~47%[1],从而实现电站较高的整体发电效率。半焦作为煤部分气化后的产物,与原煤相比在表面形态、内部结构及化学组成上都有很大的不同。孔隙结构是半焦物理结构的主要部分,其内表面积和孔隙的大小直接决定了半焦的吸附特性和反应速率,对气化和燃烧过程都有显著的影响。因此,对半焦的孔隙特性进行相关的研究,无论在半焦研究的基础理论方面还是在半焦的实际应用过程中,均具有重要的地位。许多研究者对气化和燃烧过程中煤焦的孔隙结构作过研究,但煤焦结构的复杂性

也限制了该研究的深入开展。本文从工业化和半工业化的部分气化炉中取得半焦样品,测定了其比表面积、孔比表面积、孔径和孔容等参数,并对这些参数的影响因素作了详细的分析和探讨。

2 实验部分

2.1实验样品

本实验的样品主要分为两大系列:加压系列(PC 、2-PC)与常压(A C)系列。每个系列中又包括2个种类:原煤和半焦,其中加压系列的半焦又分别取自初始气化的非稳定过渡工况(PC 系列)和稳定6h 后的稳态气化工况(2-PC 系列)。加压系列的样品来自东南大学热能研究所热输入2MW 增压喷动流化床(PFG)多功能热态实验台;常压系列的样品来自南京某厂常压喷动流化床煤气炉。煤样都是徐州烟煤,其工业分析和元素分析见表1,半焦是煤气炉在表2所示运行工况下取得。

表1 常压、加压气化用原煤的工业分析和元素分析

%

煤 样 工业分析(空干基) 元 素 分 析

A FC V M C ad H ad O ad N ad S ad 加压气化用煤22.9945.8728.94 2.2060.46 4.128.72 1.110.40常压气化用煤

25.36

46.25

26.11

2.29

56.54

3.71

8.31

0.87

0.48

第4期周毅,等:半焦孔隙结构的影响因素

表2 常压、加压气化半焦样品的实验工况项 目单 位常 压加 压

操作压力M Pa0.10.5

床层温度 ~900~950

给煤量kg/h330320

蒸汽流量kg/h30100

蒸汽压力M Pa0.20.8

蒸汽温度 110350

总空气量N m3/h600510

流化风量N m3/h480200

空气温度 30300

空气压力M Pa0.120.6

静止床高m0.6 2.2

炭转化率%~55~70

2.2实验方法

本实验样品的孔隙结构测定是在美国Quan-tachro me公司生产的NOVA100E型N2吸附仪上进行。该仪器在液氮饱和温度下(77K)对样品进行静态等温吸附测量,相对压力在0.01~ 0.995之间,取7个比压力点进行等温吸附,19个比压力点进行等温脱附。测定的数据采用NovaWin软件进行处理,由多点BET法计算样品的比表面积,由BJH法计算孔的比表面积、孔径、孔容积及孔分布。

3 实验结果与分析

本次实验一共选取并测试了4组粒径范围的8个原煤样品,6组粒径范围的18个半焦样品,限于篇幅没有将所有样品的测试结果列出,仅选取了一些典型的样品。表3给出了这些典型样品的比表面积、孔比表面积、比孔容和平均孔径。

表3 部分原煤与半焦样品的孔隙结构参数

样品编号种 类粒径/mm比表面积/m2 g-1孔比表面积/m2 g-1比孔容/ml g-1平均孔径/mm A C1-1原煤0.17~0.355 4.59 3.250.00507 3.84

PC1-2原煤0.6~1.0 3.26 3.250.00472 3.85

A C2-1常压气化半焦0.6~1.026.2111.000.00972 3.82

A C2-2常压气化半焦 1.43~2.027.8113.010.01110 3.83

A C2-3常压气化半焦 2.5~3.013.26 4.500.00467 3.85

PC2-1加压气化半焦0.6~1.024.9010.200.00928 3.82

PC2-2加压气化半焦 1.43~2.022.3211.410.01130 3.82

PC2-3加压气化半焦 2.5~3.018.24 6.470.00506 3.85

2-PC2-1加压气化半焦0.6~1.0178.1176.190.05490 3.81

2-PC2-2加压气化半焦 1.43~2.0126.4066.010.04040 1.40

2-PC2-3加压气化半焦 2.5~3.076.2337.710.02170 1.40

3.1半焦孔隙结构与气化操作工况

本次实验的半焦样品均来自半工业化或全工业化的喷动流化床气化炉,由于喷动流化床中煤气化和气固流动特性本身极其复杂并相互影响,在气化过程中,炭与CO2、H2O气化反应对孔隙的影响呈现出不同的特点[2],最终的孔隙结构也是2种异相气化反应共同作用的结果。实际上,样品中还必须掺杂有为气化提供热量的部分燃烧后的残焦,所以样品孔隙结构的测试结果只能反映某个宏观工况下部分气化和燃烧作用的综合效果。从文献资料中发现,有关煤热解气化和煤焦燃烧过程中孔隙结构的变化规律,部分研究者[3~4]认为:随热解的进行,温度低于500 时,主要是原煤外表面的挥发分析出打开了煤中的孔隙,此时对孔隙发展和生成的影响还不是特别大。温度在500 ~700 时,煤粒内部深处的挥发分开始大量释放出来,并开始有焦油形成,此时将会有大量新孔生成,煤焦孔隙结构开始变得发达。温度在700 ~800 时,由于煤粒的塑性和焦油所处的半析出状态,会减少或堵塞部分孔隙;温度高于800 后,煤中一些较轻的物质会继续析出而留下很多小孔。对于煤焦

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