近年来,钢铁行业对焦炭需求逐渐缩减,导致山西乃至全国焦化产能日趋过剩,焦化行业及部分下游延伸加工(粗苯、焦油、甲醇)装置面临着亏损及停产[1],此外,山西低质炼焦煤储量约650亿t,占全省煤炭资源储量的26%左右,以气煤、高硫焦煤及肥煤为主[2],且大型机械化开采产生了大量粉煤,因自身特点难以直接用于大型液态排渣粉煤气化和水煤浆气化,大型碎煤加压气化装置制约了山西利用丰富的低质炼焦煤炭资源发展的煤化工产业。为化解焦化产能过剩问题,实现低质炼焦煤清洁高效利用,提出制备高反应性气化焦技术路线,实现焦化产业链延伸及产品附加值的提高,同时焦炭的水蒸气气化也符合煤炭清洁转化利用的技术理念[3-4]。
利用焦炉制备应用于固定床气化炉的气化焦,对粒度及强度都有一定要求(如粒径15~35,>35 mm),以满足固定床气化炉对气化焦的要求。而具有一定粒度的焦炭要求煤具有一定的黏结性,以低质炼焦煤为原料制备气化焦,需要采用配煤的方式,通过调控配合煤质量,进而制备合格的气化焦。研究表明配合煤中较低阶煤(长焰煤、褐煤)的加入会对配合煤的黏结性、焦炭强度和制焦过程产生影响[5],而配合煤中炼焦煤(焦煤、肥煤)有利于煤粒之间的黏结及焦炭强度的增强[6]。笔者在不同配合煤所得气化焦强度满足固定床需求的条件下,考察了配合煤中煤种比例变化对焦反应性及产品气组成的影响,以期更好指导以低质炼焦煤为基础制备气化焦的配煤工艺。烟煤、生物质及石油焦热解所得焦的水蒸气气化实验结果表明,生物质焦较烟煤焦及石油焦具有更好的反应性,焦的反应性依赖于原料的挥发分产率及矿物质的催化作用[7];樊红莉等[8]对神木煤及流化床带出细粉的CO2反应性进行了考察,研究表明神木煤粉的CO2反应性较神木煤焦低;KIM、黄于益、KONG等[9-11]对不同煤阶的煤、矿物质对不同煤的气化反应特性进行了考察,研究表明煤的气化反应性与煤阶、煤焦孔隙结构、表面官能团,灰分组成及含量等因素有关,煤中的矿物质有利于水煤气变换反应的发生。FERMOSO等[12]通过固定床反应器研究煤、石油焦及生物质的共气化,认为煤与生物质及煤、石油焦及生物质的混合气化具有协同效应,有利于产品气中(H2+CO)的产生;SEE等[13]通过气流床气化炉研究焦与煤的共气化反应特性,得到共气化生成较高含量的H2及CO;WANG等[14]利用热重对石油焦与生物质焦混合焦的共气化反应性进行考察,研究表明生物质焦较石油焦具有较好的反应性,且生物质焦中的灰分可以促进气化协同效应的发生。综上,原料种类组成的复杂性及结构的不同影响其气化反应特性,而对于不同煤阶煤共热解所得焦在气化过程中煤种比例变化对反应性及产品气组成影响的研究甚少,笔者以长焰煤、气煤及肥煤为原料,考察了配合煤比例变化对焦的水蒸气气化反应性及产品气组成的影响。
实验使用的长焰煤、气煤、肥煤的工业分析和元素分析见表1,灰分组成见表2,其中MSC,WGC,DFC分别代表长焰煤、气煤及肥煤。所有煤样经研磨筛分至粒径<3 mm。为最大限度增加长焰煤在配煤中的比例采取捣固炼焦方式。配合煤质量600 g,采用四分法按照配煤方案分别取一定质量的单种煤,放入搅拌机,搅拌15 min。配煤方案如图1所示。配合煤放入圆柱形模具,采用液压机施加压力至煤饼堆密度1.10 g/cm3,然后将煤饼放入1 L坩埚,为避免热解过程煤样膨胀,煤样上部放置1 kg镍铬钢压块,上加坩埚盖。
将装有配合煤的坩埚置于马弗炉中加热至1 150 ℃停留30 min,升温程序为10 ℃/min至300 ℃,然后以3 ℃/min至1 150 ℃,自然冷却至室温后取出。去除泡焦,将焦块破碎研磨至0.150~0.250 mm进行水蒸气气化反应。为讨论方便,文中配合煤焦表示为MSCx,WGCy,DFCz。其中MSC,WGC,DFC分别表示配合煤中3个单种煤长焰煤、气煤、肥煤,x,y,z为其在配合煤中所占比例。例如:MSC0.25,WGC0.35,DFC0.40表示配合煤焦的原配合煤中长焰煤质量分数0.25,气煤0.35,肥煤0.40。
表1 实验煤样的工业分析和元素分析
Table 1 Proximate and ultimate analyses of coal sample
Sample工业分析/%MadAdVdaf元素分析/%CHNSOaMSC3.44.340.983.35.11.10.410.1WGC1.711.937.884.85.01.60.87.8DFC0.69.232.586.75.11.41.85.0
注:ad Air-dried basis;dDry basis;daf Dry and ash-free basis;a By difference.
表2 实验煤样灰分组成
Table 2 Ash composition of coal sample %
SampleSiO2 Al2O3Fe2O3CaOMgOTiO2SO3K2ONa2OP2O5MSC34.716.012.017.13.40.711.20.40.60.0WGC42.237.15.55.60.61.74.80.50.20.5DFC44.536.26.33.90.51.32.80.40.40.8
图1 制备气化焦的配煤方案
Fig.1 Scheme of the coal blending for coke
配合煤焦水蒸气气化装置流程如图2所示,此装置包括水蒸气发生器、预热炉、炉子及固定床反应器,产生的气体经冰水混合物、干冰等冷凝装置采用气体分析仪在线检测。具体为将1 g粒度为0.150~0.250 mm焦样置于反应器烧结板,氮气吹扫20 min,待炉子升温至1 000 ℃,放入反应器,恒温后切换为水蒸气,水蒸气分压为0.3,高纯氮气作为保护气,总流量为1 000 mL/min。气化产品气经冰水混合物,干冰等冷却,防止水蒸气等进入气体分析仪,主要检测气体为H2,CO,CO2,CH4。
图2 气化装置流程
Fig.2 Device schematic for sample gasification
焦的反应性指标,如碳转化率(X),瞬时速率(R)及气体i瞬时释放速率(Ri),计算公式为
式中,W0为干燥无灰基原焦样的质量,g;n(CO),n(CO2)为反应时间为t时CO及CO2气体的累加量,g。
为得到配合煤焦中矿物质组成,采用微波消解仪对焦样进行消解处理,采用德国斯派克公司的SPETRO ARCOS 型电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)对消解处理所得样品的各种元素进行定性、定量分析,波长范围为130~770 nm,采用帕邢-龙格一维分光与多CCD相结合的密闭充氩光学系统。根据被测元素的原子或离子在光源中被激发而产生特征辐射,通过判断特征辐射波长及其强度进行元素的定性定量分析。
反应性是决定燃料是否适合工业气化过程的最重要的参数之一[4,15]。图3为配合比例对配合煤焦碳转化率和气化反应速率的影响。图3(a)显示,配合煤中长焰煤比例一定时,随着气煤比例增加和肥煤比例降低,达到一定转化率的气化反应时间缩短;类似地,配合煤中气煤比例一定,随着长焰煤比例增加和肥煤比例降低,以及肥煤比例不变,随着长焰煤比例的增加和气煤比例降低,达到一定转化率的气化反应时间缩短。即固定配合煤中某一种煤的比例,其他两种煤比例相对变化时,随着煤阶较低的煤的比例增加煤焦反应性增强,这主要源于较低阶煤相对于较高阶煤具有较高的气化反应性[16-17];且可以看到,气煤比例一定时,长焰煤与肥煤比例的改变对反应时间的影响较大,肥煤比例为0.4时,反应时间大大延长。综上可得,配合煤中对焦的水蒸气气化反应性起提高作用的煤种的顺序为:MSC>WGC>DFC,且配合煤中具有较大煤阶差的长焰煤与肥煤比例的相对变化对于焦的反应性的影响较为明显,气煤与肥煤相对比例的变化对焦的反应性的影响最小。
图3 配合煤比变化对配合煤焦反应性的影响
Fig.3 Effect of blending ratio on the reactivity of the blended coke
图3(b)为气化反应速率随转化率变化曲线,由图可知,配合煤中一种煤比例固定时,配合煤焦的反应速率随配煤比例的不同存在差异。当长焰煤比例为0.25时,随着气煤比例增加,肥煤比例降低,相同转化率对应的反应速率增加;气煤比例固定为0.35时,随着长焰煤比例增加,肥煤比例降低,相同转化率对应的反应速率增加,但是改变长焰煤配比引起的反应速率变化的幅度明显大于气煤。当肥煤比例为0时,增大长焰煤的比例降低气煤比例,相同转化率对应的反应速率增加的趋势对该结果给予了证实。一般来说,在配合煤焦气化过程中首先发生的应该是较低煤阶煤焦的化学反应,而后是剩余焦的反应。长焰煤及气煤比例增加使得配合煤焦中高反应性焦的相对含量的增加,但整个反应过程中反应速率整体增大,这显示了配合煤焦的水蒸气气化反应不仅仅为单种煤焦各自独立的反应加和,在成焦过程中煤种间可能存在相互作用影响焦的结构及矿物质分布使得配合煤焦的反应性发生变化,而长焰煤与肥煤可能存在较为明显的相互作用。同时由图3(b)可知,不同配合煤焦气化反应速率在反应初期不断增加,达到一个最大值后又逐渐减小,反应过程存在最大反应速率Rmax,这主要是因为随着反应的进行,焦样封闭孔打开,有效比表面积Si增大,达到一定孔隙率后,Si达到最大值,随着反应进行Si又逐渐减少,后期Si减少主要源于焦质量的减少[18-19];可以发现Rmax对应的转化率Xmax因配合比例的不同而不同,随着配合煤中长焰煤及气煤比例的增加,Rmax增大,Xmax向转化率增大方向移动,其中气煤固定时,长焰煤及肥煤比例的相对变化对Rmax,Xmax的影响最为明显,说明配合煤焦水蒸气气化的Rmax及Xmax与煤焦的性质有关,即与原配合煤的性质有关。当配合煤中某一种煤的比例固定时,Xmax随配合煤中长焰煤或者气煤比例的增加而增大,这主要由于不同变质程度的煤所得焦气化过程焦孔隙结构的不同,配合煤中长焰煤及气煤比例的增加更有利于气化过程孔隙结构的发展[20]。
气化焦的水蒸气气化反应过程中,随着反应的进行,气化剂会进入气化焦内部且其表面碳会发生气化反应,气化焦会产生新孔及暴露内孔,这些孔隙结构的比表面积、孔体积等都会影响气化焦的反应性,为了揭示气化反应过程中不同煤种对焦的孔隙结构比表面积的贡献,对不同配合煤所制备的气化焦在相同碳转化率条件下的孔隙结构进行测试,由图3(b)可知,碳转化率在20%时所对应的反应速率较高,对碳转化率为20%的气化残焦进行孔隙结构的分析,由图4可知,反应速率随着比表面积的增加而增大,呈现较好的正相关性。
图4 碳转化率为20%时瞬时反应速率与比表面积的关系
Fig.4 Relatioship between the instantaneous reaction rate with carbon conversion of 20% and the BET surface area
图5 配合煤比例对气化残焦孔隙结构参数的影响
Fig.5 Effect of blending ratio on the pore structure parameters of the coke residue after gasification
图5为配煤比对焦比表面积及孔体积的影响。当配合煤中长焰煤比例为0.25,随着配合煤中肥煤比例由0增加至0.40,气煤比例由0.75降低至0.25,气化焦的比表面积由79.27 m2/g降低至38.73 m2/g,孔隙体积由0.060 cm3/g降低至0.037 cm3/g,降低幅度分别为40.54 m2/g,0.023 cm3/g;当配合煤中气煤比例为0.35,随着配合煤中肥煤比例由0增加至0.40,长焰煤比例由0.65降低至0.25,此时,气化焦的比表面积由176.82 m2/g降低至38.73 m2/g,孔隙体积由0.10 cm3/g降低至0.037 cm3/g,降低幅度分别为138.05 m2/g,0.063 cm3/g;当配合煤中肥煤比例为0时,随着气煤比例由0.35增加至0.75,长焰煤比例由0.65降低至0.25,此时,气化焦的比表面积由176.82 m2/g降低至79.27 m2/g,孔隙体积由0.10 cm3/g降低至0.060 cm3/g,降低幅度分别为97.55 m2/g,0.040 cm3/g;当两种煤相对比例变化相同的幅度时,长焰煤与肥煤相对比例的变化对孔比表面积、孔体积的影响最大,气煤与肥煤比例的相对变化影响最小,这与其对反应性的影响是一致的。当肥煤比例在0~0.1时,煤焦的比表面积随配合煤比例的变化在177.0~73.0 m2/g,而肥煤比例在0.1~0.4变化时,煤焦比表面积的变化在90.0~38.0 m2/g,肥煤比例大于0.1时,焦的比表面积随煤种比例变化变化幅度较小,配合煤热解过程热塑性是影响煤焦结构的主要因素,根据煤种间相互作用对配合煤黏结性的影响作用[21],这主要源于肥煤比例大于0.1时,热解过程中系统产生胶质体质量较好,煤种间相互作用使配合煤的黏结性增强,此时配合煤煤种特性变化对焦的结构影响较小。
图6为不同配合煤焦水蒸气气化转化率为85%时产品气累积量除以干燥无灰基碳含量所得的结果。由图可知,长焰煤比例一定时,随着肥煤比例增加,气煤比例降低,H2和CO2产率呈先增加后降低趋势,在肥煤比例为0.2时,H2和CO2产率最高,CO产率最低;气煤比例一定时,肥煤比例增加,长焰煤比例降低,H2和CO2产率同样现先递增后递减趋势,在肥煤比例为0.3时,H2和CO2产率最高,CO产率最低;肥煤比例一定时,气煤和长焰煤比例的变化,也引起了H2和CO2产率的不同,在气煤比例为0.55时,H2和CO2产率最大,CO产率最小。结果显示,配合煤比例变化会导致产品气组成的不同,适度的调配可以优化有效气体组分H2和CO的产率。例如,以长焰煤为主的配合煤焦(MSC0.65,WGC0.35,DFC0)的H2产率为1.87 L/g,CO产率为1.37 L/g,CO2产率为0.21 L/g;以气煤为主的煤焦(MSC0.25,WGC0.75,DFC0)的H2产率为1.90 L/g,CO产率为1.32 L/g,CO2产率为0.26 L/g;以肥煤为主的煤焦(MSC0.25,WGC0.35,DFC0.4)的H2产率为1.91 L/g,CO产率为1.26 L/g,CO2产率为0.33 L/g。
图6 配合煤比例变化对产品气组成影响
Fig.6 Effect of blending ratio on the gas composition of the blended coke
在配合煤焦的常压水蒸气气化反应系统中,主要存在以下2种反应:
C+H2OCO+H2
(1)
CO+H2OCO2+H2
(2)
在相同的碳转化率下,产品气量及产品气组成的不同主要取决于水煤气变化反应(2)的强弱,灰分中碱金属(K,Na)、碱土金属(Ca,Mg)及过渡金属(Fe)等可促进气化反应,催化作用与其存在的形态有关[22-23],此外这些催化剂可以促进气化过程中水煤气变化反应的发生[24-26]。由图7可知不同配合煤煤焦的灰分组成,可以看出主要包括 Si,Al,Fe,Ca等元素,其中Fe,Ca可以促进配合煤焦的气化反应及水煤气变换反应。
图7 不同配合煤焦灰分的XRD图
Fig.7 XRD patterns of ashes from different cokes of blended coals
不同煤焦在一定碳转化率条件下,CO/CO2比越大表示系统中水煤气变化反应越小,反之水煤气变化反应越剧烈。图8给出了配煤比对焦气化气相产物中CO/CO2比例的影响。由图8可知,长焰煤比例一定时,随着肥煤比例的增加气煤比例的降低,CO/CO2比值先降低后增加;类似地,气煤比例一定,肥煤比例增加长焰煤比例降低,以及肥煤比例一定,气煤比例增加长焰煤比例降低,CO/CO2也呈先降低后增加的趋势,且当肥煤比例大于0.10时,长焰煤及气煤比例的相对变化对CO/CO2比值影响变化较小。
图8 煤种比例变化对焦气化产品气中CO/CO2比值的影响
Fig.8 Effect of coal blending ratio on the CO/CO2 ratio in gas products from coke gasification
由上可知,配合煤中气煤、肥煤比例的适度增加有利于CO/CO2比值的降低,当配合煤中肥煤比例在0.3左右时,系统水煤气变换反应较为剧烈。考虑到焦中具有催化活性矿物质对焦气化过程中水煤气变化反应的催化作用,对配合煤焦的矿物质采用ICP发射光谱仪进行分析。煤种比例变化对配合煤焦中催化活性矿物质质量分数的影响如图9所示。焦中催化活性矿物质质量分数的计算公式为
w=w(Fe2O3)+w(CaO)+w(MgO)+
w(K2O)+w(Na2O)
图9 配合煤种比例变化对配合煤中催化作用矿物质的影响
Fig.9 Effect of blending ratio on the contents of catalytic elements in coal blends
由图9可知,长焰煤比例一定时,肥煤比例增加气煤比例降低,催化性矿物质质量分数呈先增加后降低的趋势;同样气煤比例一定,肥煤比例增加长焰煤比例降低,以及肥煤比例一定,气煤比例增加长焰煤比例降低,同样呈先递增后递减的趋势。理论上,根据3种煤的灰分组成可知,配合煤中长焰煤比例的增加,有利于催化性矿物质质量分数的增加,而气煤与肥煤的相对比例变化对其在焦中的质量分数的影响较小,因此配合煤中长焰煤比例的增加应该有利于配合煤焦催化性矿物质的增加,进而引起煤焦的水煤气变化反应加剧,而气煤及肥煤比例变化对所得焦的催化性矿物质质量分数的影响较小,对产品气组成影响也应该较小,而实验结果并不与此相符。这表明配合煤在成焦过程中存在着一定的相互作用,并影响到煤中矿物质在焦中的存在形式及存在量。配合煤中长焰煤比例较高时,挥发份增加,长焰煤作为低阶煤其挥发份中含有较多氧,脂肪族结构及芳香结构,其热解过程可促进AAEMs的释放[27]。此外,长焰煤比例增加,孔隙结构的较好发展也可能促进AAEMs的释放[28],而肥煤与长焰煤作用恰好相反。由图9可知,肥煤比例>0.1时,长焰煤与气煤比例的变化对催化性矿物质在焦中的质量分数的影响较小,配合煤中肥煤比例在0.3时有利于具有催化作用的矿物质在焦中的保留,这与煤种比例变化对CO/CO2值的影响一致。图10为以不同煤为主所得配合煤焦的SEM图,由图10可以得到长焰煤占比较多的配合煤(MSC0.65,WGC0.35,DFC0)所得煤焦的表面较为粗糙,疏松,而以肥煤为主的配合煤(MSC0.25,WGC0.35,DFC0.4)所得煤焦的表面结构较为致密。
图10 不同配合煤所得气化焦的表面形貌
Fig.10 SEM images of chars obtained from different coal blends
(1)配合煤焦的气化反应性及产品气组成与不同煤种在配合煤中的比例密切相关。
(2)配合煤焦的反应性与反应过程中焦的比表面积具有较好的正相关性,长焰煤与肥煤比例的相对变化对焦的孔隙结构影响最为显著,气煤与肥煤比例的相对变化对焦的孔隙结构的影响最小,这与其对焦的反应性的影响是一致的。
(3)配合煤中肥煤及气煤比例的适度增加有利于煤焦水煤气变换反应的发生,肥煤比例在0.3左右促进作用最为显著。
(4)配合煤的挥发分及热解过程孔隙结构的发展影响催化活性矿物质在焦中的含量。
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