煤温和气化技术研究进展
- 期刊名字:煤炭转化
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- 论文作者:郝西维,王黎,吴嘉州
- 作者单位:西安交通大学化工系
- 更新时间:2020-03-23
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第31卷第2期煤炭转化Vol.31 No.2008年4月COAL CONVERSIONApr. 2008煤温和气化技术研究进展郝西维)王黎2) 吴嘉州”摘要综述了煤温和气化催化剂种类、催化气化反应机理及反应动力学的研究成果及其进展.分析总结了煤结构、催化剂、气化温度及气化剂等对气化反应的反应活性和产物气组成的影响,指出现有温和气化过程中存在的不足,并对煤温和气化技术进行了展望.关键词煤温和气化,催化,反 应动力学中图分类号TQ546起,煤表面分布的催化剂通过侵蚀开槽作用,使煤与)引言气化剂更好地接触并加快气化反应.煤是产生动力、热、煤焦加工和副产柏油的主要煤的催化气化研究有150多年的历史,深人研燃料资源之一.天然气和石油价格的上涨刺激了煤究始于20世纪70年代,大致经历了三个阶段:早期炭转化的研究,由煤转化生产气态或液态燃料以代主要针对单- -金属,无机盐或某矿物质对煤气化速替天然气和石油的路线变得更为经济.煤气化技术率的影响及作用进行研究;中期主要针对碱金属盐作为煤炭高效洁净利用方法之一,因其产品组成的类对煤气化的催化作用和催化机理进行研究;目前灵活性以及可使用反应器类型的多样性等优点而被对复合催化剂、可弃催化剂和熔融盐催化剂的研究广泛研究应用.目前,比较成熟的煤气化工艺的气化比较广泛温度一般在1 000 C以上,这是因为在此温度以上1.1催化气化的催 化剂大多数煤的气化速率较快,能够满足实际应用的要求.这些气化技术存在的缺点是反应温度高、能耗大煤催化气化的催化剂可分为单组分催化剂和复和对设备要求高等,由此直接促使了煤催化气化的合催化剂,比较典型的单组分催化剂有碱金属、碱土研究.催化剂的添加降低了煤气化的温度.能耗和对金属和过渡金属,其中碱金属催化活性最好.设备材料等的要求;并且对脱硫、除尘和环保等都非Yeboah等°通过大量的实验研究,对常见单组分碱常有利;对产物中煤气组成有更好的选择性;另外,性金属盐催化剂的催化活性进行了排序:Li2CO32>由于气化温度降低,可同时进行许多合成过程,如在Cs2CO:> CsNO3> KNO,> KLCO;> K:SO, >催化剂作用下,煤气化的同时合成甲醇、甲烷和氨等Na2CO,>CaSO,.过渡金属催化剂主要为Fe,Co和化工原料,缩短工艺流程,提高工业生产的经济性,Ni等. Ohtsuka等[2]的研究发现,Ni催化剂用于褐其潜在优势非常明显,所以研究煤温和气化技术比煤水蒸气气化,在较低温度下(500C左右)表现出高温气化技术更具吸引力.本文从煤温和气化过程非常高的催化活性,在加压流化床气化炉中可直接出发,综述了煤气化反应催化剂种类.催化气化反应生成CH,利用氨浸提法可回收98%的Ni.但Ni作催机理及反应动力学的研究进展,并分析总结了煤结化剂代价太高,且在500 C~600 C时很容易因硫构、催化剂、气化温度及气氛等对煤温和气化反应的中毒而失活.Tomita等[]也曾报道了500C时用镍反应活性和产物组成的影响.作为催化剂时煤气化的反应过程,然而镍粒子容易1煤催化气化烧结使催化剂钝化失活.为了寻求活性更好的新型催化剂,Atul等[]对煤的催化气化是在煤为固体的状态下进行的,.复合催化剂进行了大量研究.Atul等的研究结果显催化剂与煤的粉粒按照- -定比例均匀地混合在一示 ,复合催化剂的催化活性明显高于单组分催化剂,+国家重大基础研究发展i计划项月(2003CB214500).1)硕士生12)副教授,西安交通大学化工系,710049西安收稿日期:2007-11-30;修回8期:2008-01-2384煤炭转化2008年具体为:三元>二元>单组分.在三元复合催化剂方法考察了浸渍Fe(NO3)3后焦样的表面脱附性质,中,39%Li2CO3-38. 5%Na2CO3-22. 5%Rb2CO,和证明了在含铁的催化反应中存在氧交换过程:43. 5%Li2CO3-31. 5%Na2COs-25%K2COs的催化活Fe,Om +CO2一+Fe,Om+1+CO性最好;而二元催化剂中29%Rb2CO3-71%K2CO,Fe20m+1+C- +Fe,O. +CO为最佳. Atul的研究表明,对于煤的水蒸气气化,三复合催化剂比构成它的任意组分的催化活性要元复合催化剂(43.5%Li2CO3-31. 5%Na2CO3-25%高,且具有一定抗毒性. McKee等13.14]研究结果表K2CO3)的活化能仅98 kJ/mol,远低于二元复合催明,双组分催化剂的活性比混合物中的活性最大的化剂的201 kJ/mol和单组分K2CO3的170 kJ/mol,组分的活性大约高3倍~5倍;而三组分体系的低共笔者认为,其原因是三元复合催化剂熔点低,在气化熔物的催化活性甚至比K2CO3大10倍.复合催化剂温度下为液态,更容易扩散于反应体系中,活性点更之所以有比较高的催化活性,Huttinger等15认为多,因此其催化活性更好.混合催化剂要比纯组分催化剂气化温度低:并把这上述催化剂虽然表现出很好的催化活性,但总种现象归因于离子交换反应.文献[16]认为其催化的来说都比较昂贵,且其回收和再利用比较麻烦.近机理是达到气化温度时,复合催化剂变成熔融盐,离来不少学者积极进行更廉价甚至可弃催化剂的研子活动增强,各离子相互交叉作用,产生诸多新生物究.洪诗捷等[0]尝试用工业废液碱进行福建无烟煤种,使协同作用成为可能,促进了煤的气化反应的进水蒸气催化气化,结果表明,废液碱具有很强的催化行.如对于活性好的KCI+MgSO,混合物催化剂的活性,在添加3%~12%废液碱的情况下,碳转化率催化机理解释为:可比无催化剂时增加2.55倍~3.93倍,明显大于以离子交换2KCl+MgSO2 一K2S0, + MgCl2Na2CO,为催化剂的碳转化率;此外,Ohtsuka等6[2.6]水解作用2KCI + MgSO,+H20= =K2SO,+均报道了用石灰石进行煤水蒸气气化的研究结果,Mg0+ 2HCl如Ohtsuka发现CaCO%在700 C对几乎所有煤种均还原反应2KCl+MgS0,+2C ==K2S+有催化作用,特别是对低等级煤的催化活性最高,可MgCl2+2CO2使其反应活性提高40倍~60倍;Brown等°尝试使KzS+H20= =KHS+ KOH用快速裂解柳枝稷所得的生物灰(主要含钾盐)作催KHS+H20--KOH+H2S化剂,在TGA上对伊利诺斯州6号煤的催化气化过K2SO, +4H2 - =K2S+ 4H20程进行研究,结果表明,在895 C下,煤与生物灰之由于气化反应不断发生,水解与还原反应将导比为1:9时,可使煤的气化率提高8倍左右,表现出致产生K2SO,-K2S和K2SO,-KOH及KCl-MgCl2的良好的应用前景,生物质可作为未来廉价煤气化催低共熔体,从而提高了KCI活性.化剂的来源.1.3催化气化动力学1.2煤催化气化的机理煤的气化动力学是煤气化技术研究开发和模型目前,碱金属和碱土金属催化作用机理有氧交化的基础,对实现煤的高效利用具有重要指导意换机理、电子交换机理和离子交换机理等,其中比较义[17]煤催化气化反应实质是一种多相催化反应,公认的是氧交换机理.0氧交换机理认为,金属催化反应过程中涉及到催化效应、固体反应物孔结构变剂可能形成金属氧化物的中间体,该中间体作为氧化及扩散效应等诸多影响因素,大大增加了模型建转移的载体使氧从气相转移到固相,再由固相转移立的难度,以致于该领域的研究还很不成熟.目前见到气相.如文献[9,10]报道了K2CO,催化煤的水蒸诸文献报道的催化气化动力学模型,多是在借鉴典气气化反应机理:型煤气化动力学模型研究结果的基础上,考虑催化K2CO3+2C-→2K +3CO剂的催化效应或(及)孔结构变化效应,如Struis2K+2rC- +2C,K等1]在Bhatia的随机孔模型基础上,引入催化效应2C,K +2H2O一→2rC+ 2KOH+H2及附加结构效应(坍塌效应)对孔结构的影响,建立2KOH+CO- +K2CO,+H2了扩展随机孔模型;文献[18]以非催化气化缩核反对于过渡金属催化剂,用于解释这类催化剂的应模型为基础,引人催化有效因子函数来表征催化机理多是氧传递机理. [1.1如Suzuki等[使用TPD剂对反应的作用,建立了修正缩核反应动力学模型. .第2期郝西维等煤温和气化技术研究进展85文献[19]以广泛应用于煤焦气化动力学研究的随机有关,同时还与煤焦中含氧官能团.无机化合物的含孔模型(RPM)为基础,通过引入催化作用因子,探量有关;另外,煤样的氧化程度也会影响煤焦的反应讨了孔结构变化和催化效应的叠加结果对催化气化性. Alvarez[29]对三种烟煤进行氧化处理后,用热重反应速率的影响,建立了适用于煤焦催化气化的修法对其气化过程进行考察,结果表明,氧化过程可以正随机孔模型.林荣英等[0.2]对煤的CO,和水蒸气明显提高煤焦的气化反应性,氧化温度越高,时间越催化气化反应动力学进行了研究,对煤的水蒸气催长,越有利于提高气化反应性.他认为这是由于氧化化气化过程采用缩核模型和修正体积模型.CO2催过程使其具有了更多的可被接近的比表面,提高了化气化过程采用缩核模型进行了拟合关联,得出四反应比表面比例的缘故.种不同煤种的水蒸气和CO2催化气化反应的反应速煤质对煤焦反应性的影响是复杂的.[0]一方率常数、活化能和指前因子,模拟结果表明,煤在水.面,随着煤变质程度的提高,煤内部碳基质有序度增蒸气催化气化反应中存在着动力学补偿效应;另外,加,碳微晶尺寸增大,煤焦表面的活性位数减少,所与不加催化剂的结果相比,采用Na2CO3作为催化剂以煤焦的反应性下降;另一方面,随着煤变质程度提具有更小的活化能和指前因子,且温度较低时催化高,与煤焦的反应性有密切关系的煤的比表面积、孔效果更明显.隙率和孔结构变化出现了两头高、中间低的凹形分暂态条件下,体系从一个平衡态过渡到另一- 平布,这使煤焦反应性随煤阶变化的规律更加复杂.衡态是一个非稳态过程,通过加人扰动信息,能够获2.2催化剂对气化 温度的影响得更多的动力学参数和历程信息,这对动力学研究是很有价值,可以由较少的实验获得较多的动力学目前对于气化温度低于800C的煤气化过程讨参数和反应历程信息.文献[22]利用暂态技术的思论比较多,结果表明,除了低等级煤气化速率较快:想推导了煤催化气化反应过程,针对此反应过程建外,大多数煤的气化速率很慢.但通过添加催化剂的立了煤催化气化的暂态动力学方程,并根据实验所方法,可以极大地加快煤焦的气化速率,降低气化温得数据对各步动力学表观反应速率常数进行了求度,同时不断改进催化剂的性能以及催化剂与煤粒解;另外,文献[23]从催化作用机理分析入手,以煤的接触方式,可以使气化温度降低更多. (1-3]1催化剂焦CO2催化气化为研究对象,建立了描述气化反应的加入改变了煤气化反应的历程,降低了反应的活速率与转化率关系的机理型动力学模型一活性位化能,加强了气化效果.催化剂对煤表面的侵蚀开槽扩展模型,并对其进行了实验验证.结果表明,活性.作用不仅使得煤表面的反应顺利进行,同时这种作位扩展模型很好地体现了煤焦催化气化的动力学规用还可以打开高温下可能封闭的孔隙,使之加入气律,即催化剂的舔加,有效地增大了反应界面处的活化反应,从而增大了煤表面气化反应面积.性部位和活性表面积,使气化反应在更温和的条件改进催化剂的性能可以提高气化反应的效果,Miyazki538]提 出将碱金属盐负载在LaosSro.2Cra.s下快速进行.Mno.4s Pto.o5 O3 (LSCMP)上,可使Taiheiyo 和2煤温和气化反应的影响因素Newlands两种煤焦在450 C发生气化反应.与K2SO,单独催化煤气化反应的气化活性相比,K2SO,负载在LSCMP上的催化活性更高.因为2.1煤结构对煤 气化反应性的影响K2SO,本身催化活性很低,只有以离子交换态存在一般来说,煤焦气化反应的反应性随煤化度的于煤焦表面时,才具有很高的催化活性,而当KzSO,升高而降低.[+-2]不同煤焦与气化剂的气化反应性负载在LSCMP上时,气化反应发生之前,K2SO,就的研究表明,气化反应的顺序为:褐煤>烟煤及烟煤已经活化,从而使反应速率加快.该催化反应的机理焦>半焦.沥青焦.谢克昌[27]对多种煤样的研究表是达到气化温度时,催化剂变成熔融盐,离子活动增明,无论是CO。还是水蒸气气化反应,煤的变质程度强,各离子相互交叉作用,产生诸多新生物种,使协越高,反应性越差.但Takarada等([]对从泥煤到无同作用变成可能,促进了煤气化反应的进行.烟煤的34种不同煤种的气化反应进行分析后,认为煤与Fe/Ni的无机盐在一定pH 条件下,经特殊低煤化程度的煤种的气化反应性不--定总是高于高处理相互交联成键,使煤焦的晶格发生扭曲,拉长了煤化程度的煤种.他认为煤焦的反应性不仅与煤阶相邻C- -C键的间距,削弱了其化学键的强度,使得36煤炭转化2008年气化反应变得比较容易;另外,在气化过程中,碳与本身适用条件的限制,却很难有实际应用Sharma氧相互作用形成碳氧复合物,而煤样上负载的无机等39]为了研究温度对反应速率的影响,分别对775 C,盐离子作为CO/H2等形成的媒介,促进了气化反应750 C,700 C和650 C下的气化过程进行了考察.的进行.Domazeti等37.38)对煤样和催化剂的处理过结果表明,气化速率随者温度的降低而减慢,650C程作了如下解释:经过酸处理过的煤样加入到无机时,即使有催化剂存在,反应速率仍然很慢,所以他盐溶液中,煤与溶液中的盐离子发生离子交换,导致们认为温度低于700C的气化速率已不适合实际应无机化合物在溶液中的分布状态发生变化,从而使用.虽然Ohtsuka等([:3曾报道了气化温度为500 C水相中释放出大量质子;而金属盐离子与水分子结.左右时,用镍作为催化剂时煤气化的反应过程,但同合形成更大的正电荷(如Fe离子与水分子结合形成时也得出该过程中镍粒子容易烧结而使催化剂钝化Fe(H2O)+ ), [Fe(H(O);+ ]再与煤结合形成Coal失活.(COO- )---Fe(H2O)+的交联化合物.因为金属水2.4气化剂对反应速率的影响合离子较大,[Fe(H2O)+ ]迁移到煤分子矩阵时会受到空间约束作用,所以在混合液中存在如下平衡:对于同一煤焦,在相同的反应条件下,其水蒸气Coal(COOH),+Fe(H2O)+ +H2O...气化反应速率比其与CO2气化反应速率要快-些,[Coal(COO- )---Fe(H2O)+ ]3HO +这与两反应过程的活化能有关.要达到相同的碳转Domazeti对处理过的煤样进行气化反应研究,化率,煤的CO2反应要比其与水蒸气气化反应多吸空气作为气化剂时,在150 C~200 C就有CO气体收43 kJ/mol的热量;另外,若化学反应为控制步;产生,而以水蒸气作为气化剂在250 C~450 C产.骤,煤与水蒸气气化反应的表面积大于其与CO2气生CO2,CO和CH,等气体.为了确定逸出气体为煤化反应的表面积.因此,在相同的反应条件下,煤的:气化所得,实验起始阶段,采用氮气作为氛围气,在水蒸气气化反应速率要比煤的CO2气化反应速率150 C~350 C温度范围内反应- .段时间后,将氮快,这一结论已被众多研究学者证实. [0.2421气转换成空气或O2/N2混合物.此过程中,氮气气氛煤气化反应研究过程中,所用的气化剂大多是下产生的气体为裂解气,而在空气或O2/N2混合气纯组分气化剂或者是某一气化剂与惰性气体的混合氛下产生的气体为煤气化所得.气(惰性组分起稀释剂的作用).因为当温度足够低时,化学反应为速率控制步骤,以纯组分作为气化2.3气化温度对反应速率的影响剂,减少了难以测量的因素干扰,这样得到的数据为温度是影响煤焦反应活性的主要因素,降低反本征反应数据,有利于对所感兴趣的反应进行细致应温度,减小了煤中碳原子的能量,使构成煤的芳香的分析,但这些数据都有一定的适用条件,难以反映环中的碳键断裂变得困难.同时煤焦与COz和水蒸真实的气化过程.目前关于混合气化剂气化反应的气的反应均为吸热反应,降低温度不利于气化反应文献报道还较少. [45-50)Muhlen等[8]研究了高压下的进行;另外,对于煤催化气化来说,催化剂的活性煤焦的混合气共气化反应(气氛为CO2,水蒸气以及可能在一定温度后就达到最大,但是由于煤的结构产物中的H2和CO),认为共气化反应速率是单组分紧密,温度较低时催化剂作用于煤的能力还不足以气化剂气化速率 的加和,忽略了H2和CO的存在对跨过反应中间能垒,所以不得不继续提高温度,以使整个反应的影响.Liu等[19]的动力学模型中也作了反应易于进行.同样的假设.相同的煤焦随着气化反应温度的增加,碳转化.Roberts等[541]对上述假设提出了疑问,并对率明显增加,煤焦完成气化反应的时间缩短,即温度煤与CO2水蒸气共气化反应进行了具体的研究.他越高,煤焦的反应活性越好;反之亦然,温度越低,气.认为反应速率并非是煤与CO2和水蒸气反应速率的化反应的活性越差.煤气化速率随着气化温度的降简单加和,两者之间存在竞争气化,煤的CO;气化反低而降低,650 C时,这种效应更加明显,此时的气应对煤的水蒸气气化反应存在抑制作用,使得煤与化速率已经变得很慢. [381]虽然添加了催化剂(如CO2和水蒸气共气化反应的速率介于它与CO2气化K2CO,)可以提高气化速率,但在650 C时,使用催反应和水蒸气气化反应之间.他指出在气化过程中,化剂对气化速率的提高没有显蓍的影响.即使某些两个反应相互竞争活性表面,煤与CO2的反应使得.催化剂可以实现煤的较低温度气化,但受到催化剂有用的活性表面减少,从而使煤与水蒸气反应的速第2期郝西维等煤温和气化技术研究进展87率降低.为催化剂,气化温度775 C ,考察蒸汽压力对H/CO比率的影响,当压力从50.6 kPa降低到5. 06 kPa2.5温度和压力对产 物分布的影响时,H2/CO比率从9. 5降低到1.9.煤催化气化反应产物中煤气和焦油的产率以及3结束语煤气中组分的分布都强烈的依赖于反应器的温度、催化剂的特性、原料气中蒸汽量和气化时间.(1-56]-煤温和气化反应受到众多条件的影响,原煤煤般来说,高的反应温度有利于提高产物质量,半焦的化程度不同气化反应性不同;同-煤 种,催化剂的性挥发分降低,氧和硫含量降低,而且镍基催化剂的使能和催化剂与煤粒接触方式不同,气化反应性不同;用可以加强这种趋势.但当气化温度高于某一温度煤结构、气化温度及气氛等对温和气化过程都有重时,这种趋势会减小Moghtaderi[52)考察了含碳物要的影响;另外,温度和压力对产物组成也有显著影质的催化蒸汽气化过程,得到较适宜的低温气化制响.因此,将物理化学结构、煤化度不同的煤,在不同氢条件为:气化温度为700 C,气化时间20 min,原条件下加以气化,寻求最佳的气化条件,对缩短工艺料气中蒸汽含量为90%,镍基催化剂中氧化镍的含流程,减少设备投资,降低成本有重要作用.目前,对量为50%(mol).当温度低于700 C时,整个气化反于煤温和气化过程,许多学者进行了卓有成效的研应有利于甲烷的生成,随着温度的升高,甲烷产率降究,但也存在明显的不足.由于煤焦中硫的存在,催低,而氢气产率增加.在700 C附近,氢气产率迅速化剂容易中毒失活,气化过程操作复杂,气化条件苛增加,甲烷产率迅速减小,之后趋于平缓,若从低温刻,气化速率缓慢;此外,对于煤中固有矿物质及煤气化的观点考虑,此条件较为适宜.吴学成[5]和李与催化剂的接触方式对气化反应的影响,以及混合政55]对煤气化过程进行了模拟分析,结果表明:随气化剂共气化过程,仅有少数学者进行了初步研究.着温度的降低,煤气组成中CO和H2O体积分数降因此,笔者认为在煤的温和气化急需加强以下几个低,CO2和H2体积分数上升,而CH,体积分数上升,方面的研究:主要是因为水煤气变换反应为放热反应,当温度降1)开发新型高效稳定适于较低温度下气化的低时,平衡向正方向进行,而甲烷蒸气重整反应在温催化剂,在保证气化速率的同时可以进一步降低气度降低时将向反方向进行,从而导致CH,体积分数化温度.上升.2)对于已有的低温气化过程,深人研究其气化过压力对煤气组成也有很大影响. [649]压力改变程的机理,提高气化过程的效率,寻找最佳气化条件.可使颗粒内外气体浓度发生变化,提高反应组分的3)研究开发新的具有较强实用性的低温气化分压和降低生成组分的分压有利于气化反应的进过程.行.压力提高系统温度降低将导致水煤气反应平衡深人研究煤的温和气化过程,开发出与碳一合点右移和甲烷蒸气反应平衡点左移,产物中CO和成过程相适应的气化技术,为新型煤气化和碳一合H2O体积分数降低,CO,,H2和CH,体积分数有所成反应耦合工艺过程的开发提供基础,对缩短煤气上升.Sharma等([9]考察了煤低温催化气化过程中化到碳一合成工艺流程和提高工业生产的经济性具蒸汽压力对煤气气组成的影响.实验采用K2COs作有重要意义.参考文献[1] Yeboah Y D.Xu Y .Sheth A. Catalytic Gasification of Coal Using Eutecie Salts Identification of Eutectics[J]. Carbon,2003,41(2):203-214.[2] Ohtsuka Y.Asami K. Highly Active Catalysts from Inexpensive Raw Materials for Coal Gasificatio[J]. Catalysis Today,1997.39.111-125.[3] Tomita A, Watanabe Y,Takarada T et al. Nickel-catalyzed Gasification of Brown Coal in a Fluidized Bed Reactor at Atmos-pheric Pressure[J]. Fuel,1985 ,64.795 800.[4] Atul s, Yaw D Y.Anuradha G. Catalytie Gasification of Coal Using Eutectic Saits Reaction Kinetics with Binary and TernaryEutectic Catalysts[J]. 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