PDF《煤炭地下气化/ 三带0特征及影响变量的研究》

第25 卷第5期南京理工大学学报Vol.

25 No.

5 2001 年10 月Journal of Nanjing University of Science and Technology Oct.

2001 煤炭地下气化/ 三带0特征及影响变量的研究 * 杨兰和 ** ( 中国矿业大学资源学院, 徐州 221008) 摘要 阐述了煤炭地下气化的原理, 根据气化煤层的温度、 主要化学反应及煤气成 份的不同, 将气化过程沿气化通道划分为

3 个带, 即氧化带、 还原带和干馏干燥带. 分析了/ 三带0的物理化学特征, 并讨论了主要变量) )) 温度、 水涌入速率、 鼓风的 量与质、 煤层厚度、 操作压力以及气化通道的长度和断面对煤气质量的影响及各变 量之间的相互关系.为进一步探讨煤炭地下气化过程和影响因素、 预测产品煤气 的组成、 选择最佳控制参数以及确定适宜的气化工艺, 提供了必要的依据. 关键词 煤炭地下气化, 物理化学特征, 变量;

三带 分类号 T Q

546 煤炭地下气化系复杂的物理和化学过程, 其产气过程的连续稳定性及煤气质量取决于 许多变量.由于对地下气化过程各变量相互关系的研究还不够全面和深入, 加之煤本身组 成的复杂性, 所以难以对地下气化过程做出精确的、 科学的描述.现场试验数据的分析, 可 反映出某些影响参数的规律性.鉴于煤炭地下气化基本原理, 笔者分析了决定其产过程的 / 三带0的物理和化学特征, 讨论了主要变量对煤气质量的影响及各变量之间的相互关系.

1 煤炭地下气化/ 三带0特征 煤炭地下气化是在煤层中的气化通道中进行的, 如图

1 所示.将地下气化煤层点燃, 从 进气孔鼓入气化剂, 使煤层燃烧、 气化, 煤气由出气孔排出.根据煤层通道的温度、 主要化学 反应及煤气成份的不同, 将气化过程沿气化通道大致划分为

3 个带, 即氧化带、 还原带和干 馏干燥带. 1.

1 氧化带 在氧化带, 主要是气化剂中的氧与煤层中的碳发生多相化学反应, 产生大量的热, 使煤 层炽热, 其温度范围为

1 173~

1 723 K.由于在气化通道中, 氧与煤接触, 迅速发生反应而 消耗殆尽, 所以氧化带一般比较短, 其主要氧化反应为 C+ O2 yCO2+ 393.

8 M J/ kmol ( 1) * * * 杨兰和 男37 岁 副教授 博士 收稿日期: 2000- 09-

25 * 国家自然科学基金资助项目( 批准号: 59906014) 图1煤炭地下气化三带示意图 Fig.

1 Diagrammatic sketch of the three zones in underground coal gasification 2C+ O2 y 2CO+ 231.

4 MJ/ kmol ( 2) 2CO+ O2 y 2CO2+ 571.

2 M J/ kmol ( 3) 以上均为放热反应, 其中只有反应( 2) 生成可燃 气体, 因此, 寻求优先生成 CO 的反应条件很关键.实 验数据表明, 温度维持在

1 000 K 以上时有利于 CO 的生成[ 1] .但是反应( 2) 为非均相反应, 而反应( 3) 是 均相反应, 故CO 易氧化, 空气中的氧容易走旁路, 使 气相中 CO 氧化成 CO2 的可能性增大. 根据扩散- 动力理论, 在低温状态下, 燃烧过程 的总速度主要取决于化学反应的动力学条件;

在高温 状态下, 氧化反应的总速度则决定于氧气从气流主体 扩散到碳颗粒表面的速率和产物由颗粒表面向气流 主体扩散的速率.在地下气化时煤的粒度比地面气 化炉人为破碎料的粒度大得多, 煤层因高温而破裂, 形成碎块, 所以煤的粒度系由煤的结构 特性所决定.根据文献[ 1] , 在氧化区, 若燃烧煤体的空隙率一定, 当温度低于

1 273 K 时, 总反应速度受化学动力学和内部扩散所控制. 1.

2 还原带 只要气流中含有游离氧, 氧化反应将持续进行, 随着氧的逐渐耗尽, 气流即进入还原带, 还原带的温度一般在 873~

1 273 K 之间, 其长度为氧化带的 1. 5~

2 倍, 压力在 0. 01~ 0.

2 M Pa 之间, 因此, 还原带有利于生成物浓度的提高.在还原区, CO2 与炽热的碳接触, 发生 还原反应, 生成 CO;

水蒸汽在足够高的温度下与碳发生分解反应, 生成 CO 和氢. C+ CO2 y 2CO- 162.

4 M J/ kmol ( 4) C+ H2O( g) y CO+ H2- 131.

5 M J/ kmol ( 5) 由于上述反应为吸热反应, 所以温度升高, CO 含量增加, CO2 含量减少, 即随着温度的 提高, 越来越多的 CO2 被还原为 CO.随着煤层燃烧气化的进行, 气化通道底部煤被逐渐消 耗, 在高温作用下, 气化通道顶部的煤体膨胀、 碎裂后, 靠自重作用不断充填于气化通道内, 使气化通道内堆满了松散的块煤, 扩大了气化剂与固体碳之间的接触面积, 活性较高, 热气 流通过时, CO2 即被还原.这种情况类似于地面气化炉的填充床. 1.

3 干馏干燥带 经过还原带的吸热反应, 气流温度下降, 进入干馏干燥带( 473~

873 K) .在地下气化 过程中, 氧化带和气体出口之间的煤区系在还原气氛里被热气流所加热, 这是火焰传播前沿 与气流顺流通过块状煤区的主要特征.煤被加热时在干馏和干燥带发生一系列变化, 这与 煤的类型有关.含大量水分的煤在低于

373 K 时主要的物理变化为水分的脱除, 亦发生煤 的破裂和吸缩.在573 K 前有极少量石蜡烃、 水和 CO2 析出.当温度超过

573 K 时, 开始 缓慢发生化学变化并伴有轻聚解聚现象[ 2] , 这时析出适量挥发分和少量油状液体, 继而呈 现胶质状态.当煤层温度上升到 623~

823 K 时, 大部分焦油被析出(

723 K 是高峰) , 并有 一定数量的可燃气体产生.烃类气体主要在 723~

773 K 温度期间释出.随着气化煤层温 度的进一步提高, 即超过

823 K 后, 半焦残留物凝固并收缩, 同时产生大量氢、 CO2 以及甲烷 等.因为半焦的孔隙结构在高温下呈敞开状态, 可提供有效燃烧气化所需要的大反应面积.

534 南京理工大学学报第25 卷第

5 期 所以煤干馏形成半焦后, 在较高温度下比新鲜碳的反应速率高.

2 地下气化的影响变量 2.

1 温度 根据上述/ 三带0的物理化学特征, 可以看出, 煤炭地下气化过程实际上是一个自热平衡 过程, 依靠煤燃烧产生的热量使地下气化炉内建立起理想的温度场, 进而发生还原反应和分 解反应, 产出煤气.因此, 在地下气化过程中, 起关键作用的是炉内的温度场, 尤其是对于生 产高热值水煤气的两阶段地下气化更是如此.只有在第一阶段积蓄了足够量的热能以后, 才能使第二阶段水蒸汽的分解反应得以顺利进行, 从而产生高热值地下水煤气.同时, 煤层 热分解的程度以及热解煤气的产量, 完全取决于煤层内的温度分布. 2.

2 水涌入速率 图2煤气热值与水涌入速率的关系 Fig.

2 The relation betw een coal gas heat value and water overflow velocity 煤气含水量反映出地下水从煤层周围涌入 气化区域的速率.水涌入速率是由围岩的渗透 率和整段地带的静水压头所决定的.通常条件 下, 静水压头随时间变化缓慢, 基本是稳定的. 图2表示当气化煤层厚度小于

2 m 时煤气热值 与水涌入速率之间的关系, 由图

2 可知, 当水涌 入量减少时, 煤气热值将得到改善. 如果水涌入量比较大, 即超过一定的限度, 高温气流的冷却作用及 CO/ CO2 平衡转换占优 势, 可燃组份相对减少, 从而使煤气热值降低. 图3鼓风中 O2 含量对煤气组成的影响 Fig.

3 The influence of content of O2 in blast on coal gas compositions 2.

3 鼓风的量与质 地下气化强度是由鼓风速率控制的, 提高 鼓风速率不仅可以增加气化强度, 亦可减小水 涌入速率的影响.根据试验结果, 气化强度增 加, 煤气热值相应提高;

水涌入速率减少时, 煤 气热值亦相应提高. 实践表明, 变空气鼓风为富氧鼓风可以大 大提高煤气的热值.图3表明了鼓风中氧含量 对出口煤气组成的影响, 但是 CO/ CO2 比率并 不随着鼓风中氧含量的增加而有明显的变化. 虽然燃烧区的温度由于鼓风中氧含量增加而升 高, 但因为氧的旁路或附加的水蒸汽转换 CO 为CO2 的反应, 而使 CO2 的还原反应不完全. 2.

4 煤层厚度 在地下气化过程中, 燃烧区和煤气不仅因水的涌入而被冷却, 而且其中一部分热量散失 到煤层和围岩( 底板、 顶板等) 中去.当煤层厚度小于2 m 时, 围岩的冷却作用剧烈变化对煤 气热值的影响甚大.对于........