O2/H2O气氛下原位脱灰煤焦动力学实验研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hbshwydd
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煤基燃料-氧-水蒸气燃烧的近零排放发电系统(OCCSS)具有效率高、CO2减排成本低的优势。为实现脱灰煤在O2/H2O气氛下稳定燃烧、提高燃尽率,本研究以HCl-HF-HCl三步酸洗法制取的灰分含量为0.2%的脱灰煤为原料,基于微型流化床实验系统,依靠气氛切换实现热解与后续气化和燃烧过程的分离,系统地研究了原位焦炭在925-1075℃、15%-35%H2O条件下的气化特性以及625-750℃、10%-30%O2条件下的燃烧特性。最后分析了气化反应对后续燃烧过程的影响,以理解脱灰煤焦在O2/H2O气氛下的反应机理。气化温度高于975℃后碳转化率可达到100%。相同温度下,水蒸气浓度对最终碳转化率无明显影响。水蒸气浓度对碳转化速率的影响程度与气化温度相关,温度为1025℃和1075℃时,碳转化速率在水蒸气浓度高于25%后不再明显增加。缩核和随机孔模型计算出的活化能EAW=186-194kJ/mol,同时由于在低温(925、975℃)和低水蒸气浓度(15%)下脱灰煤焦气化反应性变差,随机孔模型中的孔隙结构参数ψ的计算精度受到影响,导致缩核模型的拟合精度要优于随机孔模型。水蒸气气化的反应级数n=0.49-0.61。与原煤相比,脱灰煤焦水蒸气气化过程中水气变换反应(CO+H2O?CO2+H2)进程受阻,抑制CO向CO2的转化,产物中CO含量更高;同时也导致各产物含量对温度的敏感性较差,随温度的升高基本维持不变。脱灰煤焦水蒸气气化是一个平稳的过程,在不同反应阶段(X=30%-70%)下各产物的相对含量无明显变化。原煤焦在气化过程中H2的释放速率、碳转化速率以及绝对碳转化率较脱灰煤焦均更高;其气化反应活化能ERAW=160.2kJ/mol。均相和收缩核模型对燃烧动力学参数的拟合结果接近:在氧气浓度为21%和30%时,脱灰煤焦燃烧反应在650-715℃温度区间内均处在动力控制区,活化能分别为122和128kJ/mol;当氧气浓度降至10%时,氧气量不足导致温度高于690℃后,燃烧反应转为扩散控制区,此时活化能由150kJ/mol降低到88kJ/mol。随着前期1025℃下气化反应进行程度的加深,气化半焦的燃烧反应性逐渐降低,说明水蒸气扩孔带来的积极改变要弱于惰性碳结构积累对燃烧的抑制效应。水蒸气浓度从15%增加到25%后,气化半焦的燃烧反应性下降较明显;继续增至35%,受碳表面活性位点数量的限制,燃烧活性与25%时相差不大。
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