几种金属催化褐煤焦水蒸气气化的实验研究_杨景标

第27卷第26期中国电机工程学报V ol.27 No.26 Sep. 2007

2007年9月Proceedings of the CSEE ©2007 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号:0258-8013 (2007) 26-0007-06 中图分类号:TQ546 文献标识码:A 学科分类号:470⋅10

几种金属催化褐煤焦水蒸气气化的实验研究

杨景标,蔡宁生,李振山

(清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,北京市海淀区 100084)

Experimental Study on Steam Gasification of Lignite Char Catalyzed by Several Metals

YANG Jing-biao, CAI Ning-sheng, LI Zhen-shan

(Key Laboratory of Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education, Tsinghua University,

Haidian District, Beijing 100084, China)

ABSTRACT: Effects of alkali, alkaline earth and transition metals (K, Ca, Ni, Fe) on the steam gasification of a lignite char were investigated by a fixed-bed reactor, and the carbon conversions with time of different chars were examined. Experimental results show that K and Ca lower the gasification temperature by 110℃ and 70℃ respectively. Ni or Fe has some catalytic effect, but its activity is lower than that of the inherent minerals in the raw char. Steam gasification of the lignite char is catalyzed by the inherent minerals in raw lignite. Under a regime controlled by chemical reaction, the gasification rates of the chars loaded with K2CO3 and the demineralized char are constant with burn-off, indicating that the reactions are of zero order. The kinetics are well described by the homogeneous model for the raw chars and the chars loaded with Fe, and by the shrinking core model for the chars loaded with Ca and Ni.

KEY WORDS: catalytic gasification; lignite char; kinetics; metal catalyst

摘要:在固定床反应器中研究了碱金属K、碱土金属Ca、过渡金属Ni和Fe对褐煤焦水蒸气气化的催化效果,测定了各种焦样的基碳转化率随时间的变化关系。实验结果表明,K和Ca金属使气化温度分别降低110℃和70℃;Ni和Fe对焦的水蒸气气化具有一定的催化作用,但其催化活性低于煤灰中所含金属的综合催化活性。褐煤原煤中内在的矿物质对其焦水蒸气气化具有催化作用。在化学反应控制区域内,添加K金属的焦样和脱灰煤焦水蒸气气化的气化速率在整个转化率范围内保持不变,气化反应级数为0。添加Fe的焦样和原煤焦样水蒸气气化动力学符合均相反应模型。对于添加Ca和Ni的焦样,其气化动力学可由缩核模型来描述。

关键词:催化气化;褐煤焦;动力学;金属催化剂

基金项目: 国家863高技术基金项目(2003AA501330)。

The National High Technology Research and Development of China(863 Programme)( 2003AA501330 ). 0 引言

我国褐煤资源丰富,褐煤产量增长迅速,因此,褐煤的合理利用问题显得日益重要[1]。褐煤的一个重要用途是气化,在我国用得最多的是固定床气化[1]。高温气化造成煤气显热大、煤气冷却强度大和煤气的净化困难等问题[2]。为了在煤水蒸气气化制氢的同时,获得纯度高的CO2,Lin等人提出了HyPr-RING系统[3-4],该系统使用钙基吸收剂来固定CO2。要使CO2与CaO反应,气化炉的工作条件为高压(≤7MPa)和中低温(625~850℃),此温度范围限制了煤焦的气化[4-5]。对于Lin等人所提出的HyPr-RING系统,由于气化温度低,基碳的目标转化率为50%,煤焦的转化率很低[4]。为了加快反应速率以降低气化温度,有催化作用、在中低温条件下的煤气化技术越来越引起研究者们的重视[6]。

碱金属、碱土金属和过渡金属是煤气化的主要有效催化剂,关于各种金属对煤气化的催化效果有大量的研究报道[7-11]。为考察各种金属对煤水蒸气气化的催化效果,研究者一般把催化剂添加到经过酸洗脱灰预处理的煤样中[12-14]。酸洗脱灰处理使煤的结构发生变化,从而改变了煤的气化特性,不能揭示煤的本质反应特征[15-17]。

本文研究中低温条件下煤焦水蒸气催化气化,将催化剂直接添加到不经过酸洗脱灰处理的原煤中以制备焦样,考察几种典型碱金属、碱土金属和过渡金属对煤焦水蒸气气化的催化效果。

1 实验部分

1.1 固定床反应器系统

煤焦的制备和气化实验在自行设计的固定床

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