影响煤气化反应性的关键因素

谢园

摘要：随着近年来我国能源需求的增加，且在未来几十年内煤炭仍旧是解决我国能源问题的主要原料，需对煤炭利用过程加以研究，有效解决煤炭能源利用效率低、污染严重的问题。煤气化技术作为高效、洁净利用能源的有效方法，近年来已经成为煤化工行业的关键技术。煤气化反应性的除了气化原料的性质外，还受到不同的气化技术影响。本文将以煤气化反应为研究对象，通过分析干煤粉技术对影响煤气化反应性的关键因素进行重点研究。

关键词：煤气化反应；关键因素；GSP气化炉

引言

煤炭作为我国的主要能源，实现煤的高效、洁净转化利用是现阶段国内能源利用的主要发展方向。现阶段在煤炭能源的利用中存在着一系列环境问题，如煤碳燃烧产生的高浓度二氧化碳，会引发温室效应，各种气体污染物的排放会对环境造成严重污染等。现阶段我国煤炭利用技术中普遍使用气化炉对煤炭进行气化反应，使煤炭在特定温度、压力下得到能源的充分利用，并通过加压操作，提高产能，减少污染物排放，达到绿色产能的效果。

1 煤气化基本原理

煤气化主要是指煤炭能源在利用中，借助氧气、水蒸气或氢气等气化剂作用，在高温、高压条件下发生充分燃烧的化学反应过程，其中所得的可燃气体即为煤气，包含主要的成分有CO、H2、CH4。其基本原理为：

1.1 干燥

煤炭原料在进入大型气化炉后，会随着温度升高和压力增加，逐渐将煤中的水分进行蒸发，进而达到干燥燃料的过程，该反应过程主要受到煤炭粒度气化操作温度、气化压力及气化剂接触方式等因素影响。

1.2 热解

在反应过程中，煤炭会随着温度升高发生热分解反应，生成具有挥发属性的物质。该过程由于化学反应过程较为复杂，包含的反应过程逐渐呈现剧烈的反应现象，主要热解方式中会形成有机质的裂解，而裂解产物中部分轻质成分会挥发，并在逸出过程中进行分解反应与化合反应；重质残留物会形成缩聚，并在高温高压状态下产生进一步 分解及再缩聚过程。此外在煤料热解中会形成部分半焦物质，经过研究发现热解过程的影响因素与原料煤的煤阶、煤料的升温速率及气化炉结构有关。

1.3 部分燃烧

该部分过程主要是由煤料中部分碳与气化剂反应放热导致，进而能够在气化反应过程中保持持续供热状态，为气化炉持续控温提供帮助。

1.4 气化

该环节主要是煤热解后形成的半焦物质随着温度持续升高而在气化炉中与气化剂发生化学反应， 生成多种成分的粗煤气产物。影响该过程的主要因素为煤炭原料性质、气化温度、气化压力、气化剂种类等。

2 影响煤气化反应性的关键因素

2.1 原煤性质

煤碳能源具有较为复杂的组成结构，不同煤种成分差异较大，因此也导致了煤气化反应性的较大差异。主要可从煤阶、矿物质和孔隙结构等方面考量煤气化反应性的影响。其中煤阶作为反映原煤变质程度的重要指标，其能够有效地体现出原煤的物理结构及化学组成。通过实验研究发现，煤气化反应性会随煤阶的升高而降低。在H2O、CO2和H2气化剂作用下，气化反应性呈现不同的程度，依次分别为：褐煤焦＞烟煤焦＞沥青焦。矿物质是影响煤气化反应性的另一大因素，通过煤气化反应实验可发现矿物质可作为催化剂的作用，增强煤气化反应性，且根据矿物质成分的不同，总结出较为明显的催化作用化合物，分别为K、Na、Mg、Ca、Fe等，由此可发现煤炭中的部分金属化合物对气化反应有促进作用。孔隙结构主要是煤气化反应过程中产生的气化半焦孔结构，随着孔隙结构的变化会造成不同的煤焦表面积，影响气化反应。通过对气化炉中高温煤焦气化反应实验发现，原煤经过高温热解后，低灰熔融温度生成的煤焦表面会形成较为光滑且有熔融灰沉积的焦表面，而高灰熔融温度煤产生的煤焦表面有空隙且无灰的沉积。且沉积在碳焦表面的熔融灰堵塞煤焦孔隙会降低煤焦比表面积，影响煤的气化反应速率。

2.2 热解条件

影响煤气化反应性的另一个因素是热解条件，其是决定煤焦气化的先决条件。国内对于煤气化反应的研究中常将煤的热解和焦气化分开。因此，可将热解条件总结为热解温度、压力、时间和气氛等。

2.2.1 热解温度

对热解温度影响状况进行研究可发现，在热解过程中，温度升高会使煤焦表面积减小，此过程会使热解半焦的气化反应性降低。对多种不同媒阶的煤样进行热解分析，可发现采用不同制焦温度及不同升温速率而形成的气化反应性程度有所差别。当升温速率保持在20℃/min 时，低温下的制焦气化反应性呈现较大的差别，而当温度升高到1100 ℃时，则发现此种气化反应性差异缩小。当升温速率达到1200℃/min 时，实验可发现不同煤焦的气化反应性呈现差别最大化。

2.2.2 热解压力

该因素对影响煤气化反应性影响也较大。研究发现常压条件下热解温度与气化反应性成反比；而在加压条件下，气化反应性呈现了不同程度的改变，会受到温度影响，难以形成统一标准。基于此，得出加压与常压煤的气化反应性差异明显。煤焦在加压条件下，热解过程中易造成燃烧产物的沉积与聚合，造成初期反应活性偏低的情况。

2.2.3 热解气氛

该因素可导致煤气化反应的不同活性，实验在N2气氛热解反应中，可发现热解产生的焦油出现沉积和聚合反应，严重影响了煤焦的气化反应性；而在H2气氛下则会使煤气化过程中附加加氢反应，让反应中的甲烷等碳氢化合物能够增强汽化活性位，提高气化反应活性。

2.3 气化条件

除热解条件外，整个气化反应过程中，气化条件也是影响煤气化反应性的重要因素。对其进行深入研究可发现气化的温度、压力、气化剂等对煤气化反应中显著影响。

2.3.1 气化温度

基于国内对煤气化反应性的研究基础，可发现气化温度对气化反应活性有极大影响。根据气化温度实验研究可发现，气化温度分别以1150℃与1400℃为界线，低于1150℃条件下煤气化反应活性随温度升高而增加；在两温度界线之间，则呈现过渡、扩散状态，可发现一直维持在该阶段的气化反应性已经受温度的影响变化不大；当温度＞1400℃继续升高，则可发现气化速率仍会增加，但由于温度过高，实验难以继续进行，暂不做表述。

2.3.2 气化压力

该影响因素是煤气化反应性的研究重点，因市面上大型气化炉，如GSP气化炉、神宁炉、宁煤炉等均是在加压条件下运行的，因此也可说明气化压力对煤气化反应活性有重要影响。在煤炭利用中，常将气化压力作为气化炉设计与研究的重点。气化压力可分为气化剂分压、反应总压，两者均会对煤气化活性产生影响。实验设定较低温度条件，可发现此时的气化速率随水蒸气分压减小而降低，汽化炉内的总气体产物中H2和CO2产率减小，而CO产率增加，两者呈现反比例关系。气化剂分压对气化反应性的影响，还会因气化剂种类而形成一定的差异，具体分析得出CO2、H2O为气化剂的煤气化反应性会随压力改变而改变；而O2为气化剂时的气化反应性则不会随压力变化产生明显差异。而反应总压对气化速率的研究暂未发现没有明显变化影响。

2.3.3 气化剂

国内气化炉使用的常见气化剂有O2、H2O、CO2、H2等。经过研究发现不同气化剂与煤气化反应性有一定影响。将实验反应条件固定，可发现不同气化剂产生的气化反应速率存在差异，大小依次为O2>H2O>CO2>H2。由于H2O、CO2是气化反应中主要的气化剂，较为易得，因此对其进行深入研究发现，H2O的气化影响要比CO2大， 而气化反应速率情况主要由温度决定。一般气化炉温度保持在920-1050℃间，H2O影响力是CO2的10倍，更高温度条件下，两者的影响性差距会呈现缩减。

3 结束语

在我国快速发展具备高效清洁度的煤炭利用技术中，要着重关注和考虑煤气化反应性的关键因素，确保能够创造利于气化反应活性的反应条件，进而增强煤能源的利用率，减少有害气体物质的生成。

参考文献：

[1]石斌.干煤粉气化技术及优势[J].石化技术.2018(11)：59.

[2]赵保强.GSP干煤粉气化技术的应用与优化[J].山西化工.2018(5)：183-185.

[3]马银剑,井云环.GSP干煤粉气化关键技术优化研究[J].洁净煤技术.2018(2)：134-138.