【正文】 儲(chǔ)量比較，煤炭是中國(guó)最豐富的化石能源。我國(guó)的石油和天然氣資源則相對(duì) 缺乏，按同等發(fā)熱量比較，兩者總和僅占全國(guó)可采儲(chǔ)量比例的 %。近年來我國(guó)煤炭消費(fèi)量呈逐年遞增的趨勢(shì)：從 2001 年 到 2007 年中國(guó)煤炭消費(fèi)量由 百萬噸油當(dāng)量增加 百萬噸油當(dāng)量，增幅大%。由此可見，煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占有舉足輕重的地位，并 且在未來相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，這種以煤炭為主的格局不會(huì)改變[2]。CO、SONOx 和粉塵是較為常見的燃燒污染物， 它們的存在直接威脅到人類身心健康。SO2 則是導(dǎo)致酸雨的最主要原因。其 中造成大氣污染的主要是 NO 和 NO2，排入大氣的 NO 被氧化成 NO2，一般認(rèn)為 NO2 的毒性是 NO 的 4~5 倍，NOx 能同肺部濕潤(rùn)的表面接觸，形成損傷肺組織的硝酸和亞 硝酸，造成肺水腫和復(fù)雜的反應(yīng)失調(diào)。據(jù)統(tǒng)計(jì) 2007 年全國(guó)共排放二氧化硫 萬噸，煙塵 萬 噸；監(jiān)測(cè)的 500 個(gè)城市中出現(xiàn)酸雨的城市 281 個(gè)，占 %，酸雨發(fā)生頻率在 75%以 上的 65 個(gè)，占 。煤炭是中國(guó)的基礎(chǔ)能源，潔凈煤技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煤炭可靠、廉價(jià)和潔凈使用的重要技 術(shù)。潔凈煤技術(shù) (Clean Coal Technology)是煤炭開發(fā)和利用中減少污染和提高效率的煤炭加工、轉(zhuǎn)化、燃燒和污染 控制等新技術(shù)，旨在高效、清潔的利用煤炭資源。《中國(guó)潔凈煤技術(shù)“九五”計(jì)劃和 2010 年發(fā)展 綱要》中指出，潔凈煤技術(shù)主要包括煤炭洗選、加工、轉(zhuǎn)化、先進(jìn)燃燒技術(shù)、煙氣凈 化等反面的十四項(xiàng)技術(shù)。發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù) 有利于提高煤炭利用率，減少粉塵和 SO2 污染，有利于保障能源安全，有利于中國(guó)能 源可持續(xù)發(fā)展。煤氣化是指煤與氣化劑在一定溫度、壓力等條件下發(fā)生反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為煤氣的工藝 過程。完全煤氣化是在高溫高壓條件 下，使固定碳徹底轉(zhuǎn)化為煤氣的技術(shù)，煤炭利用率高，但氣化工藝設(shè)備復(fù)雜，投 資大， 因而在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中并不常見。在眾多煤炭利用技術(shù)中，煤氣化則是煤炭轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)技術(shù)，也是煤化工發(fā)展中最 重要、最關(guān)鍵的工藝之一。利用煤氣化技術(shù)有 利于改變中國(guó)終端能源的消費(fèi)結(jié)構(gòu)，減少煤炭直接燃燒量，減少因燃煤造成的環(huán)境污 染，在一定程度上緩解石油供需矛盾，是國(guó)際煤化工的發(fā)展方向[2]。據(jù)記載，1812 年 4 月 30 日世界上第一家 具有工業(yè)規(guī)模的煤氣公司—— 倫敦威斯敏斯特煤氣照明和焦炭成立，標(biāo)志著煤氣事業(yè) 進(jìn)入工業(yè)化時(shí)代。 國(guó)外煤氣化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀目前國(guó)外煤炭氣化爐開發(fā)正向加壓、大容量方向發(fā)展，單臺(tái)氣化爐處理煤量從幾 噸/天發(fā)展至 2600 噸/天，4000~5000 噸/天的氣化爐也已完成概念設(shè)計(jì)。不僅如此，由于制造業(yè)技術(shù)的提高，以及設(shè)計(jì)理念的不斷完善，各種不同粒徑的 塊煤和粉煤都可以使用不同的氣化爐進(jìn)行氣化。煤炭氣化工藝的分類方式有很多，分類指標(biāo)包括壓力、氣化劑、氣化過程、供熱 方式等，其中最為常見的是按氣化爐內(nèi)煤料與氣化劑的接觸方式來區(qū)分，總共可分為四類：(1)固定床氣化。原料煤在爐內(nèi)停留時(shí) 間比固定床短，以分鐘計(jì)算，總的來說流化床氣化技術(shù)的灰渣和飛灰含碳量較高，其 飛灰的回收和循環(huán)都存在一定問題。氣流床氣化又稱噴流床氣化，它 是一種并流氣化，用氣化劑將粒度為 100181。(4)熔浴床氣化。目前此工藝已不再發(fā)展。表 12 三種典型氣化法比較項(xiàng)目固定床氣化流化床氣化氣流床氣化原料煤粒度/mm3~301~5適用煤種非黏結(jié)性煤黏結(jié)性較低的煤種基本無限制氣化劑空氣水蒸氣/氧氣水蒸氣空氣水蒸氣/氧氣水蒸氣氧氣水蒸氣供料方式塊煤干式粉煤干式煤粉干式或水煤漿濕 式排渣/灰方式干式排灰或液態(tài)排渣干式排灰或團(tuán)聚排灰液態(tài)排渣氣化溫度/℃400~1000（干式排灰）600~1600（液態(tài)排渣）850~11001500~1800碳轉(zhuǎn)化率/%高（）低（95）高（99）冷煤氣效率/%高（約 89）中（80~85）低（76~80）生產(chǎn)能力低中高代表技術(shù)? 型爐、WG 爐UGI 間歇式水煤氣爐 ATC/Wellman 兩段爐 Lurgi/BGCLurgi 加壓爐Winkler 爐 KRW/UGas 爐 HTW 爐Texaco/EGas（水煤漿供料）Shelll/Preflo/GSP（干粉供料）固定床氣化由于受煤種限制，且需要使用煤塊，因而逐漸被世界發(fā)達(dá)國(guó)家所淘汰，主要應(yīng)用的是以 Lurgi 和 BGCLurgi 為代表的加壓移動(dòng)床氣化爐。最新一代的干式 Lurgi 爐可分為加煤、攪拌、爐體和排渣等五大系統(tǒng)，由于 布煤器和攪拌器同時(shí)有電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，因此如果氣化沒有黏結(jié)性的煤種，甚至可以不需 要攪拌器。表 13 Lurgi 爐在國(guó)際上的發(fā)展?fàn)顩r第一代第二代第三代第四代時(shí)間1939~19541954~196919691978特征1. 設(shè)有內(nèi)襯2. 邊置灰斗3. 氣化劑通過爐箅 的主動(dòng)軸輸入1. 取消內(nèi)襯2. 中軸置灰斗設(shè)有旋轉(zhuǎn)的布煤 器和攪拌裝置容量更大適用煤種褐煤/非黏性煤褐煤/弱黏性煤除黏性太強(qiáng)外煤 種除黏性太 強(qiáng)外煤種直徑/mm26002600/370038005000粗煤氣產(chǎn) 量5000~800014000~17000/32000~4500035000~50000100000來源：《合理能源結(jié)構(gòu)與煤炭清潔利用》，李金柱、申寶宏，煤炭工業(yè)出版社，2002[4] 煤熱解與氣化研究概況 煤熱解反應(yīng)研究概況煤的熱解反應(yīng)（Pyrolysis）也稱煤的干餾或熱分解。其具體過程為：煤在 200℃ 以下蒸出表面水分，同時(shí)析出吸附在煤表面的二氧化碳、甲烷等氣體；隨著溫度升高 至 250℃~300℃,煤的大分子端部含氧化合物開始分解，生成二氧化碳、水和酚類；至約 500℃時(shí)，煤的大分子芳香族稠環(huán)化合物側(cè)鏈斷裂和分解，生成脂肪烴，同時(shí)釋放出氫氣[6]。因此，能夠準(zhǔn)確的了解煤熱解過程機(jī)理及特性對(duì)提高 煤炭利用率，減少污染氣體的排放，對(duì)發(fā)展煤氣化工藝有重大的意義。太原理工大學(xué)趙麗紅等利用固定床熱解裝置對(duì) 3 種不同煤種進(jìn)行了熱解研究，認(rèn) 為熱解溫度的升高導(dǎo)致 H2 的析出量增加，且最大析出量出現(xiàn)在 700℃左右；當(dāng)溫度在400℃~600℃時(shí)，氣態(tài)烴大量析出，且逸出量與煤中 H/O 比成正比，甲烷氣體主要來 源于芳香族稠環(huán)化合物甲基側(cè)鏈斷裂，生成溫度在 350~650℃之間；CO 和 CO2 的析 出量與煤種氧元素含量有關(guān)，即氧含量越高，兩種氣體的析出量越大；熱解過程中有 H2S 和 COS 生成，且生成量與煤種硫元素相關(guān)[7]。升高熱解壓力阻礙了揮發(fā)份的析出，同時(shí)使得焦產(chǎn)量增加[1011]。升溫 速率越高，熱解時(shí)間越短，因而導(dǎo)致更多的焦油和更少的甲烷產(chǎn)生[13]。JunIchiro 等研 究發(fā)現(xiàn)在快速熱解過程中加入水蒸氣，焦油和炭黑的析出量減少，其主要原因與 Fe、 K、Na、Ca、Mg 等金屬原屬有關(guān)[15]。影響煤氣化過程的因素有很多，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者也做了大 量研究。表 51 氣化反應(yīng)與其他化學(xué)反應(yīng)的主要區(qū)別氣化與燃燒的區(qū)別氣化與液化的區(qū)別氣化與干餾的區(qū)別燃燒過程是在氧充足條 件下，煤發(fā)生完全氧化， 其所有化學(xué)能全部轉(zhuǎn)化 為熱能。 氣化過程是通過碳與氣 化劑直接反應(yīng)以獲得 CO 和 H2 等氣態(tài)產(chǎn)物干餾過程是煤在隔絕空氣或惰 性氣氛條件下，在一定溫度范 圍內(nèi)發(fā)生分解。干 餾過程中，煤中碳轉(zhuǎn)化率不到10%。Roger Khalil 等對(duì)生物質(zhì)氣化動(dòng)力 學(xué)進(jìn)行了研究，并得到一系列生物質(zhì)氣化擬合函數(shù)[15]。 煤炭地下氣化是對(duì)地下每層就地進(jìn)行氣化生產(chǎn)煤氣的一種氣化方法。故地下煤氣化不僅 是一種生產(chǎn)煤氣的工藝，同時(shí)也消除了煤炭開采帶來的礦難，運(yùn)輸污染的問題。煤炭地下氣化的基本原理是將煤與氣化劑作用轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w。兩鉆孔底有一水平通道 3 相連接，圖 中 3 所包圍的整體煤堆即為進(jìn)行氣化的盤區(qū) 4。生成的高溫氣體沿氣化通道向前滲透，同時(shí)把其攜帶的熱量傳給周圍的層，在氣化通道形成由燃燒區(qū)、還原區(qū)、干餾區(qū)和干燥區(qū)組成的氣化反圖 煤炭地下氣化反應(yīng)帶示意圖煤 應(yīng)帶[2]。本文正是在煤炭地下 氣化的原理上設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下：本文采用熱重分析法來進(jìn)行煤的熱解與氣化的實(shí)驗(yàn)室研究，根據(jù)所使用的常壓熱 天平 STA409 以及加壓熱天平 Thermomax500 所使用的條件來設(shè)定試驗(yàn)方案，選取的 最高溫度 1200℃，最高壓力 3Mpa，最大煤樣質(zhì)量 20g，本文將在此范圍內(nèi)討論褐煤 熱解與氣化特性。針對(duì)不同粒徑煤樣，不 同升溫速率工況下褐煤熱解失重曲線進(jìn)行分析研究，分析了一些影響褐煤熱解反應(yīng)的 重要因素。同時(shí)對(duì)煤粒徑、升溫速率、熱解溫度等因素做了相應(yīng)的研究計(jì)算。2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)過程 實(shí)驗(yàn)設(shè)備(1) 熱重分析儀本實(shí)驗(yàn)使用的是德國(guó) NETZSCH 公司生產(chǎn)的 STA409 熱重分析儀采用計(jì)算機(jī)控制 系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行程序升溫，微量天平系統(tǒng)記錄樣品重量隨溫度變化過程。可用于研究煤、高分子等固體材料的燃燒，熱解特性進(jìn)行研 究。1000mg；2) 熱重測(cè)量精度：；3) 差熱測(cè)量范圍：0~5000181。v/mw；5) 測(cè)量氣氛：氧氣、氮?dú)夂推渌栊詺夥眨?) 動(dòng)態(tài)條件下，氣體最大流速為 200mL/min(2) 可控氣氛立式熱天平爐 可控氣氛立式熱天平爐是由華中科技大學(xué)姚洪教授自行研發(fā)，并委托洛陽普瑞慷達(dá)公司制造，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可用于測(cè)量材料在不同氣氛里加熱過程中質(zhì)量 的變化?？煽貧夥站綘t 是性能價(jià)格比十分優(yōu)良的新型物理檢測(cè)設(shè)備。主要技術(shù)參數(shù)如下：1) 樣品最大重量：200g；2) 測(cè)量分辨率：；3) 最高使用溫度：1400℃；4) 爐膛內(nèi)溫度： 1300℃；5) 升溫速率： 0～15℃/min；6) 保溫溫度誤差：177。圖 可控氣氛立式熱天平爐結(jié)構(gòu)圖進(jìn)氣管 下密封水套 爐本體 剛玉管 蓄熱體 下部發(fā)熱體上部發(fā)熱體 爐體限位 爐管封頭拉手 上密封座 1天平觀察孔1真空壓力表 1安全閥 1天平密封罩及升降機(jī)構(gòu) 1裝樣室 1吊籃1上測(cè)溫?zé)犭娕?1下測(cè)溫?zé)犭娕?1下密封座 蝶形螺母 2把手(3) 便攜式氣相色譜儀本實(shí)驗(yàn)采用的是美國(guó)安捷倫儀器公司生產(chǎn)的 gilent 3000A microGC 便攜式氣相色譜儀利用氣體試樣中各組分在氣相和固定液相間的分配系數(shù)不同對(duì)氣體試樣進(jìn)行定性和定量分析。主 要性能指標(biāo)：1) 儀器靈敏度：10~20ppm；2) 可重復(fù)性：%RSD (C6)；3) 通道：；4) 載氣：氬氣（channel A）、 氦氣（channel ）；5) 樣品壓力：5~10psig；6) 進(jìn)樣量：1 181。高溫水平管式爐和氣相射譜儀聯(lián)用示 意圖見圖 .圖 高溫水平管式爐和氣相射譜儀聯(lián)用示意圖 實(shí)驗(yàn)樣品本研究采用的是內(nèi)蒙古烏蘭察布褐煤（WLCB），如圖 所示。褐煤水分、揮發(fā)分含量高，加之結(jié)構(gòu)疏松，并且生成的煤焦空隙率和比表面積大，透氣性高 ，使得反應(yīng)劑容易擴(kuò)散到 焦炭表面，較易開拓氣化通道，故最有利于氣化反應(yīng)。 FT：1240 實(shí)驗(yàn)過程 煤熱解過程熱重實(shí)驗(yàn)對(duì)于小顆粒煤，實(shí)驗(yàn)采用的是德國(guó) NETZSCH 公司 STA409 型熱綜合分析儀。對(duì)于煤塊，實(shí)驗(yàn)采用的是自行研制的可 控氣氛立式熱天平爐。 煤熱解過程氣態(tài)產(chǎn)物分布實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)采用的是高溫水平管式爐，目的是研究褐煤熱解過程中，氣態(tài)產(chǎn)物的分布， 進(jìn)一步考察升溫速率等影響因素對(duì)煤熱解特性的影響。實(shí)驗(yàn)過程中，從 200℃開始，每隔 50℃收集一袋氣樣，至反應(yīng)結(jié)束，使 實(shí)驗(yàn)曲線能夠更好的逼近熱解實(shí)際曲線。 煤 CO2 氣氛下氣化實(shí)驗(yàn)氣化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)儀器與熱解熱重實(shí)驗(yàn)相同，也是德國(guó) NETZSCH 公司 STA409 型熱綜合分析儀和可控氣氛立式熱天平爐。然后采用 CO2 等溫氣化 法，停止通入 N2，通入氣化劑 CO2 至反應(yīng)完全（煤樣質(zhì)量不再變化），試驗(yàn)結(jié)束。其特點(diǎn)是吊籃下端開有 5 個(gè)孔，可 使煤焦更好的與氣化劑接觸，使反應(yīng)更加完全。煤熱解作為一種單獨(dú)的加工方法是指將煤在隔 絕空氣或惰性氣氛的條件下加熱，在不同的溫度下發(fā)生的一系列物理變化和化學(xué)變化 的復(fù)雜過程，同時(shí)生成氣體(煤氣)、液體(焦油)、固體產(chǎn)物(焦炭或半焦)。煤是復(fù)雜的高分子有機(jī)化合物。年青煤的芳核小，側(cè)鏈多，年老煤則于此相反。芳核本身則縮合并稠環(huán)化，反應(yīng)最終形成煤 氣、化學(xué)產(chǎn)品和焦炭。對(duì)煤熱解的一些特征溫度的定義。開始熱解溫度 T0 是重要的特征溫度，與煤化度、煤巖組成、加熱條件等有關(guān)。T0 和 Tf 能反映煤熱解的難易程度。 煤熱解過程煤的熱解大致可以分為三個(gè)階段:第一階段：室溫~300℃為干燥脫氣階段，這一階段煤的外形基本無變化，褐煤在200℃以下蒸出表面水分，同時(shí)析出吸附在煤中的二氧化碳、甲烷等氣體；隨著溫度升高至 300℃，煤的大分子端部含氧化合物開始分解生成二氧化碳，水和酚類（主要是高級(jí)酚）煙煤和無煙煤一般不發(fā)生變化，脫水主要發(fā)生在 120℃以前，