煤焦与H2O和CO2的加压气化反应性及动力学研究

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由于能源的需要和环境的限制,煤气化技术趋向于高温高压大型化发展。煤焦与单一H2O或CO2气氛下加压气化反应特性逐渐成为研究热点。实际气化过程中,煤焦与H2O和CO2同时发生反应,而加压条件下煤焦与H2O/CO2气化反应特性的研究鲜有报道,因此研究加压情况下煤焦与H2O、CO2及H2O与CO2混合气氛下气化反应特性有重要的现实意义和学术价值。煤焦气化是速率控制步骤,对煤焦的气化反应特性展开研究具有重要的意义,本研究试图揭示(1)压力对气化反应速率的影响,(2)矿物质在程序升温气化过程中所起的作用,(3)不同压力下,煤焦在H2O/CO2混合气化过程中焦-H2O与焦-CO2两个反应所存在的相互作用,为煤焦在加压条件下气化提供理论依据。本文选用锡盟褐煤(XMC)为实验原料,在固定床反应器中,利用程序升温热解的方法(终温1000 oC),制备锡盟褐煤焦样(XMCC)和脱灰锡盟褐煤焦样(DXMCC),通过高温高压热重分析仪研究不同压力下XMCC与单独H2O和CO2及两者混合气氛下程序升温气化反应特性,并对煤焦气化过程中的动力学参数进行计算,其主要结论如下:(1)程序升温气化反应过程中,XMCC在CO2气氛下的气化反应速率随着压力的增加而增加,其活化能随压力的增加而减小;H2O及H2O/CO2气氛下,XMCC气化反应速率随压力的增加呈现先增加后平稳的趋势,按照阿伦尼乌斯图将其程序升温气化反应可分为三个阶段,第一阶段气化反应活化能随压力的增加而减小,为化学反应速率控制,第二阶段的活化能远小于第一和第三阶段的活化能,此阶段矿物质起催化作用,第三阶段气化反应活化能随压力的增加而增加,为产物脱附或扩散控制。DXMCC在单独H2O或CO2及H2O/CO2共气化下,其反应速率随压力的增加而增加,相应的气化活化能随压力的变化呈现减小的趋势。(2)XMCC在程序升温加压共气化过程的实际气化反应速率低于计算气化反应速率,焦-H2O与焦-CO2两个反应表现出抑制作用,而对于DXMCC,实际碳转化率曲线与计算碳转化率曲线重合,焦-H2O与焦-CO2两个反应并没有表现出相互作用,这可能是由于煤焦中矿物质的选择性催化作用。(3)等温气化反应过程中,XMCC在CO2气氛下的气化反应速率随着压力的增加而增加,压力指数n为0.24。由于气化产物对煤焦气化反应产生抑制作用,在H2O及H2O/CO2气氛下,XMCC的气化反应速率随压力的增加呈现先增加后平稳的趋势,其压力指数也呈现相同的规律。DXMCC在CO2及H2O气氛下气化反应速率均随压力的增加而增加,CO2气氛下的压力指数大于H2O气氛下的压力指数,这说明压力对DXMCC在CO2气氛下影响程度较大。
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