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褐煤气化技术(一)

[ 发布日期:2018-05-02 09:30:17 点击:650 来源:金沙4166官网登录 资讯中心 【打印此文】 【关闭窗口】]

  一、引言

  大力发展煤化工是我国未来能源发展的主要趋势,煤化工涉及煤的焦化、气化、液化以及煤化工制品等多个领域,随着科技进步和技术的不断成熟,煤的洁净化、高效燃烧、联合循环发电、干熄焦、炼焦 过程自动化、煤炭气化以及环保洁净能源为主的煤化工能源技术越来越得到广泛的重视和应用。与其它相比,我国的烟煤、无烟煤等优质煤炭资源储量比较丰富,但作为能源,已被充分利用,走向枯竭是必然趋势。褐煤是一种煤化程度仅高于泥炭的煤炭资源,据不完全统计,中国褐煤储量达2118亿t,探明储藏量达1280亿t对烟煤、无烟煤进行保护性开采利用,发展褐煤气化技术、拓展褐煤开发利用空间是当前我国节能技术政策优先发展的方向之一。

  在我国,褐煤主要集中在内蒙古东部、黑龙江、  吉林、辽宁和云贵高原等地区,其中内蒙古褐煤储量近2000亿t,云南昭通褐煤储量约81.58亿t。褐煤占中国煤炭储量的1/8,在中国煤炭资源中占有重要地位。国内外对褐煤利用技术的研究比较广泛和深入,涉及到褐煤初加工、褐煤燃烧、褐煤液化、褐煤热解与炼焦、褐煤非燃料利用、褐煤共伴生资源及其加工利用等方面的内容。随着各国政府对能源和生态环境的日益重视,合理、有效、洁净地利用褐煤是褐煤利用技术的发展方向。目前世界能源供求发生变化,人们希翼从低价的褐煤中取得洁净能源以保护环境。在这种情况下,褐煤气化有着较广阔的发展前景。

  针对水资源相对短缺的地区,如内蒙古自治区的锡林郭勒,不能满足大规模建设煤化工项目的用水。而褐煤气化是一种最洁净的煤炭利用技术,能够避 免煤直接燃烧的污染。因此,引进褐煤地上地下气化新技术(示范项目),待试验成功后大规模推广可大大提升煤炭的清洁高效综合利用,实现“高碳能源、低碳发展”的目标,对于充分利用褐煤资源 有着重要而深远的意义。目前应用的煤气化技术有三种,即美国比克比地上闪蒸气化技术和英伦金桥、中节能地下气化技术。试验项目有四项,分别是苏尼特碱业褐煤半焦油清洁利用(采用比克比技术)中试项目、锡市广厦比克比地上气化项目、英伦金桥地下气化项目和中节能地下气化项目。

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  二、褐煤气化及其影响因素分析

    一)热解条件

    褐煤气化包括两个步骤:首先进行初步热解制得焦炭、焦油及煤气,然后发生焦炭的气化反应。控制焦炭反应性的因素有:活化点的浓度、活化点接近气化剂的难易程度以及无机矿物杂质的催化作用。这些因素取决于煤的等级和热解条件,亦即最终热解温度、反应时间及升温速率。目前,人们还不是十分清楚升温速率对焦炭反应性的影响。对木材试样进行快速碳化得到的焦炭,其反应性比在相同终温下的慢速碳化得到焦炭的高。然而,煤碳化步骤中的升温速率对焦炭的反应性无显著的影响,在慢速升温条件下制得的焦炭具有稍高的反应活性。从动力学观点对碳与水蒸汽和CO2反应进行分析,发现在低升温速率下制得的焦炭具有更高的反应速率。

    二)矿物质

低阶煤中含有较高的无机矿物成分,这些矿物成分在气化反应中有一定的催化作用。当主要的挥发物质从煤结构中释放出来之后,这些矿物质对于次级热解反应继续起积极的催化作用。一般说来,在煤基质中的无机矿物质的催化活动取决于它们的浓度、散布状态及化学形式。煤中的碱及碱金属元素(Li、K、NaCa、Ba等)影响着焦炭的反应性,尤其是对于从低阶煤制得的焦炭。这些元素的散布程度越高,焦炭的反应性越高。在所有这些金属元素中,钙具有的催化作用,而镁的催化作用最小。褐煤气化反应速率随着钙含量的增加而直线上升。低阶煤的气化反应性主要受无机成分的催化作用控制。然而,随着热解加剧,金属元素的部分催化作用将失效。

    三)褐煤性质

褐煤性质对气化反应有较大的影响。褐煤的高位发热值、粒度、O/C比以及炭的反应活性决定着气化反应中的碳转化率。另一方面,褐煤的高位发热值、挥发分含量及水分对气化反应温度有影响。并且,气化反应温度不同导致产气组分也不同,如较高的气化反应温度将使得产气成分中H2、CO浓度增大。

褐煤的水分一般比较多,在其加工过程中不可避免地要受其影响。含有不同水分的煤在热解过程中,得到的产品组成及产量不同,蒸发出来的水分对半焦多孔结构的形成也要产生一定的影响。对于活性炭的催化气化以及在催化剂存在条件下铁矿石的碳热还原反应,活性炭的粒度为162 μm时是的。

    四)气化反应器的操作参数

在设计并运行新型气化反应器时,常要调整操作参数,使其达到化状态。其中,操作压力及产气组分两个参数在气化生产中起着重要作用。有人对产气的阻滞化作用进行了研究,他们在加压流化床气化反应器上对泥煤进行了两组试验,分别选取两种气化剂,一种为水蒸汽+产气H2、CO,另一种为CO产气H2、CO。在两组试验当中,气化反应速率均随着操作压力的增加而下降,但以水蒸汽作为气化剂时的气化反应速率略高一些。

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  三、褐煤气化的研究

    一)近年来,一些大型露天煤矿(如伊敏河露天矿、霍林河露天矿等)相继建成投产。到21世纪初,中国褐煤产量将会成倍增长。因此,合理和有效利用褐煤将显得越来越重要。褐煤气化是现有的褐煤利用技术中应该受到先考虑的一种重要方法,大致有两个方面的原因:其一是褐煤气化可将褐煤转变为更便利的能源和产品形式;其二是褐煤气化可以做到有效的“绿色生产”,如在褐煤流化床气化炉内添加石灰石、碳酸盐等脱硫剂,则在气化过程中可同时脱硫。

    二)褐煤应用的范围较广,可归纳为如下几个方面:

  ①由褐煤生产城市煤气或管道煤气

  ②为化工合成提供原料气,例如,褐煤气化可成为生产合成氨、尿素、甲醇和烃类的中间步骤;

  ③为冶金工业提供还原气(和氢气)及钢铁、机械和建筑等工业部门用的燃料气;

  ④作煤炭液化用的氢气来源;

  ⑤为先进的发电过程提供洁净的煤气,是IGCC实现商业化的关键技术之一。  

    三)国内外非常重视对褐煤气化工艺的组织。其中,对于褐煤流化床气化工艺研究得比较多,美国在这方面处于国际先进水平。关于流化床气化炉,具有代表性的有过去制造合成原料气用的商业性温克勒炉。国外正开发多种煤气化新工艺,目的是扩大气化煤种,提高处理能力和转换效率,减少污染物排放。最近,为了达到大量生产的规模效益,开发方向大多朝向加压流化床气化。  

四)关于褐煤气化影响因素的试验研究显得非常必要,国内外有大量这方面的文献,主要是两点:
  ①热解条件对褐煤气化的影响较大,尤其是热解温度及升温速率两个因素。对于不同产地的褐煤应分别进行升温速率对焦炭反应性影响的研究,这对于引导实际气化生产非常重要。由于较高的热解温度及较长的炉内停留时间对褐煤气化不利,故应加强对褐煤的温和气化研究;

  ②褐煤的催化气化具有许多技术优点,它是增大气化反应速率、控制产气成分以及降低气化温度的有效方式,应寻求高效、便宜的催化剂促进气化生产。

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