煤气化反应的过程与影响因素分析.pdf

科技信息 o, 4 - 教前沿0 S C I E N C ET E C H N O L O G Y I N F O R M A T I O N 2 0 1 1 年第2 7 期 煤气化反应的过程与影响因素分析 高素萍 宁夏 回族 自治区煤 田地质局宁夏银川7 5 0 0 1 1 【 摘要】 大型煤气化技术是煤炭清洁高效转化的核心技术， 经济、 稳定的煤气化技术对煤化工项目的成败至关重要。目前， 我国 每年的煤 炭消费量超过 2 0 亿吨， 但只有很少的一部分 少于5 ％ 用于气化， 大部分煤炭用于燃烧和炼焦， 带来了严重的环境问题 ， 增加气化用煤的比例 不仅是化学及其相关工业的要求， 也是解决环境问题的重要途径， 从气化技术的发展趋势看， 大规模的煤气化技术是主要发展趋势。 【 关键词】 煤质分析； 煤气化反应； 清洁能源； 节能减排； 气化温度； 热稳定性； 非均相反应 0 引言 煤气化指以煤或煤焦为原料， 以氧气 空气 、 富氧或纯氧 、 水蒸气 或氢气作气化剂． 在高温条件下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部 分转化为气体燃料的过程。所得的可燃气体即为煤气， 其有效成分包 括 C O 、 H 、 C H ． ， 煤气经进一步的净化、 改质可以作为合成气合成化工 产 品。 1 煤气化基本原理 1 ． I 干燥 原料煤进入气化炉后 ． 随着温度的逐渐升高 ． 煤 中水分会受热蒸 发使燃料得到干燥， 其速率主要受人炉原料煤粒度、 气化操作温度及 原料与气化剂的接触方式等因素影响 l - 2 热解 随着温度的进一步的升高。 煤料会发生热分解反应 ． 生成一定量 的挥发性物质 包括干馏煤气、 焦油及热解水等 。煤热解过程中的化 学反应非常复杂． 包括煤中有机质的裂解 ． 裂解产物中轻质部分的挥 发． 裂解残留物的缩聚． 挥发产物在逸出过程中的分解及化合 ， 缩聚产 物的进一步分解以及再缩聚等过程。同时． 煤料中不能挥发的部分形 成半焦。热解过程中产生的挥发分的量与原料煤的煤阶、 煤料的升温 速率以及原料在气化炉内的运动方式等因素有关。 I ． 3 部分燃烧 煤料中的部分碳与气化剂中的氧发生燃烧反应放出热量． 为气化 过程供热保证气化反应能够在较高的气化炉操作温度下快速、 连续进 行 。 1 ． 4 气化 煤热解后形成的半焦在更高的温度下与通人气化炉的气化剂发 生化学反应，生成以c 0 、 H 、 C H 、 C O 及 H 2 S等为主要成分的气态产 物． 即粗煤气。影响反应的主要因素有原料煤的性质、 气化温度、 气化 压力、 气化剂种类、 煤料与气化剂的接触方式以及气化炉的结构等。 2 煤气化反应 的过程 煤气化反应是煤与气化剂之间的反应．即气一 固相之间的非均相 反应． 同时也有气体反应物之间的均相反应。 在反应器中， 煤料首先进 行脱挥发分和热分解 ， 得到固体残留物半焦。热分解后的半焦与气化 剂间的气一 固相反应， 反应可以分为两类． 即表面反应和容积反应。表 面反应发生在固体外表面． 为气体反应物刚扩散到固体表面时在固体 外表面发生反应． 而容积反应主要在内表面进行 通常当温度较高时 容易发生表面反应， 如氧化反应、 燃烧反应 ； 而容积反应主要是反应速 率较慢情况下的反应 在表面反应中． 反应气体很难渗透到固体颗粒的内部 ． 反应只在 外表面进行． 但随着反应的进行． 反应表面不断向固体内部移动， 并在 已反应过的地方产生灰层 未反应的核随时间不断收缩， 反应局限于 未反应核的表面。在容积反应中． 反应气体扩散到颗粒的内部并分散 渗透到整个固体．反应的灰层在颗粒的孑 L 腔壁表面逐渐积累起来． 使 反应区逐渐收缩 对于气一 固相气化反应， 其总的气化历程通常必须经过以下步骤 1 反应气体由气相扩散到固体碳表面 外扩散 ； 2 反应气体通过颗粒内部的孔道进入小孔的内表面 内扩散 ； 3 反应气体分子吸附在固体碳内孔的表面， 形成中间络合物 ； 4 吸附的中间络合物之间、 吸附的中间络合物与气相分子之间 进行反应 5 吸附态的产物从固体内孔表面脱附 6 产物分子通过固体的内部孔道扩散出来 内扩散 7 产物分子由颗粒表面扩散到气相中 外扩散 由此可见 ， 在 总的反应过程 中包 括 了扩散过 程 1 、 2 、 6 、 7 和化学过程 3 、 4 、 5 。 扩散过程分外扩散和内扩散， 化学过程包括 吸附、 表 面反应和脱附 上述各 步骤的阻力不 同． 反应过程 的总速率将 取决于阻力最大的步骤． 即速率最慢的步骤． 该步骤称为速率控制步 骤。当总反应受化学反应速率控制时称为“ 化学动力学控制” ． 当总反 应受扩散过程的速率控制时称为“ 扩散控制” 气化反应的动力区与扩 散区是反应过程的两个极端情况． 在实际情况下． 总的过程是在中间 区或者邻近某个极端区进行。当反应在动力区进行时． 为了强化气化 过程， 就必须提高气化温度。 3 煤气化过程的影响因素 由于煤本身是一种复杂的混合物 ． 所以影响其气化的因素很多． 主要包括原料煤的性质、 煤中矿物质、 压力及温度。 在选择煤气化工艺 时． 首先考虑气化所用原料煤的性质． 不同的气化工艺对原料煤的要 求也有所不同． 根据所用原料煤的性质选用合适的气化工艺 若原料 煤的性质不适合所选择的气化工艺．则将导致气化炉生产指标的下 降。 气化用煤的性质主要包括反应活性、 粘结性、 结渣性、 热稳定性、 机 械强度、 粒度组成以及煤的水分、 灰分和硫分等。 煤的反应活性是指在一定的条件下煤与不同气化介质 如 C O 、 0 、 H 2 0及 H 等 相互作用的反应能力。煤的反应活性又称反应性． 它 和煤的气化与燃烧密切相关． 反应性强的煤在气化和燃烧过程中反应 速率快、 效率高， 反应性的强弱直接影响煤气化的有关技术指标。 煤中矿物质在气化和燃烧过程中． 由于灰分的软化熔融而转变成 炉渣的能力称为煤的结渣性。对于固定床气化炉， 大块的炉渣将会破 坏床内均匀的透气性， 严重时炉箅不能顺利排渣； 此外， 由于炉渣会包 裹未气化完全的原料煤． 使气化炉排出的渣含碳量高。对于流化床来 说． 即使少量的结渣． 也会破坏炉内正常的流化状况， 但对于气流床气 化煤灰熔融性温度高于气化温度会造成排渣困难． 影响气化炉正常运 行 。 煤的热稳定性是指煤在高温燃烧和气化过程中对热的稳定程度 ， 即在高温作用下保持原来粒度的性质。热稳定性好的煤 ． 在气化过程 中能以原来的粒度烧尽或气化完全而不碎成小块． 而热稳定性差的煤 遇热后则迅速碎裂成小块或粉末。 煤的机械强度关系到煤的输送和气化时能否保持其应有的粒度 组成． 以保证气化过程均匀的进行． 减少带出物量。 煤料的水分、 灰分和硫分控制， 控制原料煤的水分和灰分主要是 为了维持正常气化过程． 以获得较好的气化效率。 工艺条件也是影响煤气化过程的重要因素． 包括气化温度、 压力、 升温速率、 制焦温度等。 温度是影响煤气化反应性的最重要因素之一． 利用等温热重法的 研究表明． 煤焦的碳转化率随反应时间增加而增大， 随气化温度的提 高， 煤焦转化率增加． 气化速率增大。 压力也是气化过程中的重要影响因素。从热力学平衡上分析， 增 加压力有利于甲烷化反应． 但不利于体积增大的气化反应 升温速率对煤焦气化反应有明显的影响 ． 升温速率越大 ． 煤焦在 相同的温度下停留时间越短． 来不及反应就进人更高温度 ． 所以相同 反应温度时， 煤焦气化转化率越低。 下转第5 1 页 3 7 科技信息 。科教前沿0 S C I E N C E ＆T E C H N O L O G Y I N F O R MA T I O N 2 0 1 1 年第2 7 期 集的表面肌电信号从右下臂皮肤表面上采集 受测者将右手手心朝上 放在桌上， 每隔一定的时间， 重复做用力握拳再慢慢释放的动作． 总计 2 O 次 将采集到的表面肌 电信号保存为． m a t 格式 ．方便下一步用 M A T L A B软件进行分析处理 在分析肌电信号的频率特点以后． 通过多次试验． 最后选用在时 域上具有有限支撑的D a u b e c h i e s 3 小波作为母小波进行肌电信号降噪 处理 。 将去除了工频干扰的表面肌电信号用 M a t l a b 小波工具箱中的 S i g n a l E x t e n s i o n 从中间截取连续的3 6 0 0 0 个数据进行处理 再选择小波工具箱中的一维离散平稳小波分析 消澡 S W T D e n o i s i n g 1 一 D 图形接口方式进行小波去噪 首先把信号加载进去， 根据 表面肌电信号的采样频率．我们采用 D a u b e c h i e s 3 对表面肌电信号进 行 1 层完全分解。 小波分解后获得 1 个细节小波系数 d l 层系数 和一 个近似系数 最底层低频系数 。 因为肌电信号的频率集中分布在 I O 0 0 H z 以下．而主要能量分布 在 0 ～ 5 0 0 H z 。所以， 我们应对高频部分d 1 层进行小波去噪． 去除高频 分量中的噪声． 而保留高频分量中的有用部分 ． 这就需要我们的去噪 方法应选用阈值去噪。我们这里选用固定软阈值进行小波去噪。 图 3 第一层高频分■小波系数 图4 去噪后的第一层高频分量小波系数 上接第3 7 页 4 结束语 由于去噪过程中。 固定软阈值门限值为 1 ．2 3 7 。 所以高频分量进行 系数筛选后， 就去除了小波系数 1 ．2 3 7以上的部分． 筛选后的高频分 量的小波系数如图4 所示 最后 ． 经过对最底层的低频系数和第一层高频系数进行一维小波 重构， 就得到了去噪后的表面肌电信号。 将去噪前后的表面肌电信号 ． 在 Ma t l a b中， 应用 M a t l a b的强大的作图功能． 作图在同一张图中进行 对 比． 如 图 5所示 3 结论 图 5 信 号去噪前后对 比 本文利用多尺度小波分析的方法． 更加适合用于处理肌电信号这 一 类的突变信号． 在此基础上独创性地采用在每一尺度下进行不同软 阈值的小波阈值去噪．实现了对不同频段的噪声使用不同的阈值处 理． 取得了非常良好的实验效果。再以小波变换的多分辨率分析为基 础 ． 应用 MA T L A B中的小波工具箱。 对表面肌电信号进行固定软阈值 F i x e d f o r m s 0 f l t h r e s h o l d i n g 去噪。实验结果表明这种阈值形式在软 门限阈值处理能够得到直观意义上很好的去噪效果． 抑制了肌电信号 中的无用部分 ． 恢复肌电信号中有用部分． 为下一步更好地进行肌电 信号特征提取等肌电信号研 究工作打 下基础。 l [ 责任编辑 常鹏飞] 现在国外新开发的气化炉都采用加压气化的工艺，其优点是 提 高气化强度、 增加单炉产量、 节约压缩能耗、 减少带出物损失。气流床 加压气化由于采用了高温、 高压、 纯氧、 减小煤粒度等措施， 因而达到 加快气一固两相表观动力学反应速度进而强化气化生产、 显著改善气 化技术经济指标的目的。 【 参考文献】 [ 1 ] 邵洪兴． 煤气化技术的选择与对比『 J 】 ． 化工设计通讯，2 0 0 9 ， 3 5 1 1 4 1 7 ． [ 2 ] 王志华． 选择先进适用的煤气化技术研讨【J 】 ． 大氮肥，2 0 0 6 ， 2 9 4 2 6 5 2 6 7 作者简介 高素萍 1 9 6 4 一 ， 女， 汉族， 北京人， 1 9 9 1 年毕业于常州煤田地质 职工学校煤质化验专业． 助理工程师． 现主要从事煤质化验方面的工作。 [ 责任编辑 江广霞] 上接第 4 1 页 渗碳体 的组织分布均匀 ， 晶粒度细小 见图 l A 一 2 、 图 1 一 B 一 2 得到的各项力学性能值特别是 0 C 冲击值较好 如图 2 一 A 一 2 、 图 2 一 B 一 2 ． 其冲击吸收功分别为 1 2 5 J 和 1 5 8 J ； 正火中冷却速度在≤ 3 0 0 C ／ h 时， 得到的组织分布不很均匀， 晶粒较为粗大 见图 1 一 A 一 1 、 图 1 一 B 一 1 ， 力学性能值中冲击值较差 如图 2 一 A 一 1 、 图2 一 B 1 ， 其冲击吸 收功分别为 3 8 J 和2 9 J 在以上不同的正火冷却速度控制下，各个试样 的抗拉强度和屈服强度值变化不大 如图3 所示 。 2 ． 2 正火冷却速度与组织力学性能关系的讨论 正火过程中发生着的固态相变 ． 是一个在母相中新相形核与长大 的过程． 以本钢材为例 ， 母相就是奥氏体， 新相就是珠光体 铁素体与 渗碳体的混合物 对应相同的正火温度， 正火冷却速度快， 相变过冷 度大． 珠光体形核率高 ． 晶粒长大的时间少， 原子扩散能力降低 ， 晶粒 长大幅度小． 所以得到的珠光体晶粒多． 晶粒细小且分布均匀韧性好， 冲击值较为优越。反之． 得到的珠光体晶粒少， 晶粒较为粗大韧性差， 冲击值较低． 不能满足 A S ME 材料规范的验收要求。 3 结论 3 ． 1 影A S ME S A 3 3 5 P 1 1 钢在正火后 0 C 冲击性能的关键要素之一 便是其临界冷却速度。 3 ． 2 工厂在实际生产中． 在温度酷热空气流动性差的夏季以及壁厚 大于 4 0 m m以上的工件在正火后应采用适宜的风冷措施， 或被买方允 许的其他等同的冷却措施如喷雾冷却来保证其冲击力学性能。 3 ． 3 工厂在生产实际过程中可结合自身的设备人员等进行不断的总 结分析． 逐步收窄适用的正火冷却速度的范围． 进一步的提高生产效 率 和 管道 质 量。 ● 【 参考文献】 [ 1 ] 崔忠圻． 金属学及热处理[ M 】 ．2版．北京 机械工业出版社，2 0 0 7 ． [ 2 ] 郭玉林． 金属材料力学性能[M] ．郑州河南科学技术出版社， 2 0 1 1 ． [ 3 ] 中国机械工程学会l热处理手册【 M] ． 北京 机械工业出版社，2 o o 8 4 ． [ 4 ] 上海市机械制造工艺研究所．金相分析技术[ M 】 ．上海 上海科学技术文献出版 社。 1 9 8 7 1 ． [ 5 ] 【英] 戴维斯D i v i e s ，D ． j _ 金属组织、 性能和热处氆M 】 ． 2 版． 北京 中国 科学技术 出版社。 1 9 9 0 ． [ 6 J A m e r i c a n S o c i e t y o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r s [ M 】 ． E d i t i o n 1 9 9 8 ． [ 责任编辑 江广霞]