煤气化半焦的孔隙结构.pdf
第 3 5卷第 1期 2 0 0 5年 1月 东 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版 ) J O U R N A L O FS O U T H E A S T U N I V E R S I T Y( N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ) V o l 3 5 N o 1 J a n .2 0 0 5 煤气化半焦的孔隙结构 段钰锋 周 毅 陈晓平 赵长遂 章名耀 金保升 ( 东南大学洁净煤发电与燃烧技术教育部重点实验室,南京 2 1 0 0 9 6 ) 摘要用氮气等温吸附( 7 7K ) 方法测量了原煤及其加压、 常压部分气化后半焦的 B E T比表面 积, 并通过 B J H法计算了孔比表面积、 孔容积、 孔径和孔分布. 结果表明, 原煤在转化为半焦的过 程中, 孔隙结构变得发达, 比表面积、 孔比表面积和孔容积明显增大. 实验发现半焦的孔比表面积 和孔容积分布曲线存在 2个明显的峰值, 第 1个尖峰对应的孔径稍小于 2n m, 说明微孔的比表 面积大大增加; 第 2个尖峰对应的孔径在 3 8n m左右, 说明中孔的比表面积增加很快以至于出 现了中孔的扩展. 加压气化后的半焦孔隙结构更加发达, 加压气化比常压气化更能促进半焦孔隙 的生成和发展. 关键词部分气化; 半焦; 孔隙结构; 氮吸附 中图分类号T K 1 6 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1- 0 5 0 5 ( 2 0 0 5 ) 0 1 0 1 3 5 0 5 P o r es t r u c t u r eo f g a s i f i e dc o a l c h a r D u a nY u f e n g Z h o uY i C h e nX i a o p i n g Z h a oC h a n g s u i Z h a n gMi n g y a o J i nB a o s h e n g ( K e yL a b o r a t o r yo f C l e a nC o a l P o w e r G e n e r a t i o na n dC o m b u s t i o nT e c h n o l o g yo f Mi n i s t r yo f E d u c a t i o n , S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ,N a n j i n g 2 1 0 0 9 6 ,C h i n a ) A b s t r a c t T h e c o a l c h a r s d e r i v e df r o ma t m o s p h e r e a n dp r e s s u r i z e dp a r t i a l g a s i f i c a t i o np r o c e s s e s w e r e m e a s u r e db yn i t r o g e na d s o r p t i o np r i n c i p l ea t 7 7K .S p e c i f i cs u r f a c ea r e a s w e r ed e t e r m i n e db a s e do n B E Tm o d e l .A v e r a g ep o r es i z e ,t o t a lp o r ev o l u m e ,p o r es p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n dp o r es i z e d i s t r i b u t i o nw e r es t a t i s t i c a l l yo b t a i n e db yu s i n gB J Ht h e o r y .T h er e s u l t ss h o wt h a t m o r ea b u n d a n t p o r e s a n dl a r g e r s p e c i f i ca r e a s a n dp o r e v o l u m e s a r e f o r m e da f t e r p a r t i a l g a s i f i c a t i o n .T w op e a k s a r e f o u n di nd i s t r i b u t i o nc u r v e so f t h ec o a l c h a r p o r es p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n dp o r ev o l u m e ;t h ef i r s t p e a kc o r r e s p o n d s t oap o r ed i a m e t e r o f l e s s t h a n2n m,t h es e c o n do f a b o u t 3 8n m.G a s i f i c a t i o na t e l e v a t e dp r e s s u r ec a nl a r g e l ya c c e l e r a t et h ep o r ef o r m a t i o n .T h ep o r ed e v e l o p m e n t o f c o a l c h a r a t e l e v a t e dp r e s s u r ei s m o r er a p i d l yt h a nt h a t a t a t m o s p h e r ec o n d i t i o n . K e yw o r d s p a r t i a l g a s i f i c a t i o n ;c o a l c h a r ;p o r es t r u c t u r e ;n i t r o g e na d s o r p t i o n 收稿日期 2 0 0 4 0 9 0 3 . 基金项目国家重点基础研究发展计划( 9 7 3计划) 资助项目 ( G 1 9 9 9 0 2 2 1 0 5 3 2 ) . 作者简介段钰锋( 1 9 6 3 ) , 男, 博士, 教授, 博士生导师, y f d u a n @ s e u . e d u . c n . 第二代增压流化床联合循环发电技术( P F B C C C ) 采用了煤的部分气化, 将产生的中低热值煤气 用于提高烟气轮机入口的燃气温度, 而气化后的半 焦则送入 P F B C锅炉中燃烧. 它克服了第一代增压 流化床联合循环系统中燃气轮机入口温度低的缺 点, 使系统净发电效率可望达到 4 5 % ~ 4 7 %[ 1 ], 从 而实现电站较高的整体发电效率. 半焦作为煤部分 气化后的产物, 与原煤相比在表面形态、 内部结构 及化学组成上有很大的不同. 孔隙结构是半焦物理 形态结构的主要表征, 其内表面积和孔隙的大小直 接影响半焦的反应活性, 对气化和燃烧过程都有显 著的影响. 因此, 对半焦的孔隙结构进行相关的研 究, 对认识半焦的形态和了解半焦的反应性有重要 意义. 本文实验的焦样是从工业化和半工业化的部 分气化炉中取得的, 对原煤和各种半焦的比表面 积、 孔径、 孔容、 孔比表面积和孔分布等多方面作了 详细的分析和探讨. 1 实验 1 1 实验样品 实验的样品主要分为两大系列 加压系列 ( P C , 2 P C ) 与常压( A C ) 系列. 每个系列中又包括 2个种类 原煤和半焦, 其中加压系列的半焦又分 别取自气化的初始阶段或非稳定过渡工况( P C系 列) 和气化的充分发展阶段或稳态气化工况( 2 P C 系列) . 加压系列半焦样品来自东南大学热能工程 研究所热输入 2MW 增压喷动流化床多功能热态 试验台; 常压系列半焦样品来自南京某厂常压喷动 流化床煤气炉. 煤样都是徐州烟煤, 化学组分稍有 差异, 其工业分析和元素分析见表 1 , 半焦是煤气 炉在表 2所示的运行工况下取得的. 表 1 常压、 加压气化用原煤的工业分析和元素分析( 空干基) 煤样 工业分析/ %元素分析/ % w ( A )w ( F C )w ( V )w ( M)w ( C )w ( H )w ( O )w ( N )w ( S ) 加压气化用煤2 2 9 94 5 8 72 8 9 42 2 06 0 4 64 1 28 7 21 1 10 4 0 常压气化用煤2 5 3 64 6 2 52 6 1 12 2 95 6 5 43 7 18 3 10 8 70 4 8 表 2 常压、 加压气化半焦样品的试验工况参数 项 目常 压加压 操作压力/ MP a0 10 5 床层温度/ ℃9 0 09 5 0 给煤量/ ( k g h - 1) 3 3 03 2 0 蒸汽流量/ ( k g h - 1) 9 01 0 0 蒸汽压力/ MP a0 20 8 蒸汽温度/ ℃1 1 03 5 0 总空气量/ ( m 3h- 1) 6 0 05 1 0 流化风量/ ( m 3h- 1) 4 8 02 0 0 空气温度/ ℃3 03 0 0 空气压力/ MP a0 1 20 6 静止床高/ m0 62 2 炭转化率/ %5 57 0 注 表中参数均为气化炉稳定运行 6h以上的工况参数, 空气流量 指标准状态. 1 2 测试方法 本实验样品的孔隙结构测定是在美国 Q u a n t a c h r o m e 公司生产的 N O V A 1 0 0 E型 N 2吸附仪上进 行. 该仪器在液氮饱和温度下( 7 7K ) 对样品进行 静态等温吸附测量, 相对压力在 0 0 1~0 9 9 5之 间, 取 7个比压力点进行等温吸附, 1 9个比压力点 进行等温脱附. 测定的数据采用 N o v a Wi n软件进 行处理, 由多点 B E T法[ 2 ]计算样品的比表面积, 由 B J H法[ 3 ]计算孔的比表面积、 孔径、 孔容积及孔容 分布. 2 结果与分析 2 1 吸附/ 脱附等温线 一种物质的吸附/ 脱附等温线中包含了丰富的 孔结构信息[ 2 ]. 图 1示出徐州烟煤及其常压、 加压 气化后半焦的 N 2吸附/ 脱附等温曲线, P和 P0分 别是测试压力和氮气的饱和压力, V 0为液氧吸附 容积. 从原煤及半焦的吸附等温线来看, 基本上都 属于第Ⅱ类和第Ⅳ类混合型等温线, 在相对压力较 低时曲线上升缓慢, 在相对压力较高时曲线上升加 快, 说明在低相对压力时发生的主要是微孔填塞, 高相对压力时主要发生多层吸附和毛细凝聚, 表明 原煤和半焦样品中既有微孔也有中孔或较大的孔 隙. 在相对压力接近 1时所有曲线都没有出现吸附 饱和现象, 考虑到 N 2吸附所能测试的孔径一般不 超过 3 0n m [ 4 ], 所以还难以断定是否存在大孔或者 超过 3 0n m的中孔, 但能断定原煤和半焦中有比较 丰富的中孔存在. 另外, 从等温吸附线也能看出半 焦样品的吸附量较原煤大大增加. 这也证明了原煤 在转化为半焦的过程中, 孔隙结构变得发达. 一般而言, 某一相对压力 P / P 0下吸附/ 脱附 等温线分离程度越大, 意味着与此相对应的孔的含 量越多[ 5 ], 滞洄环越狭窄则微孔越发达, 滞洄环越 宽则孔结构中含有较多的二次孔, 并在其上发生了 毛细孔凝聚现象, 表明其孔分布越宽[ 6 ]. 从图 1可 看出, 原煤和半焦样品的吸附线与脱附线不重合并 出现滞洄环, 因此可以判断原煤及半焦都具有较宽 的孔隙分布, 但它们的吸附滞洄线各自又有不同的 特点. 根据 d eB o e r [ 7 ]的分析, 吸附/ 脱附回环有 5 种典型形态, 代表吸附剂中孔的不同形状, 所有原 煤样品的吸附/ 脱附回环类似于第 2及第 4种, 表 示其孔的形状接近于平板状孔; 而所有半焦的吸 附/ 脱附回环类似于第 5种, 表示其孔的形状接近 于墨水瓶形即大肚小口形状, 进一步说明在气化或 燃烧的过程中, 煤的孔隙在不断变化、 生长和扩展. 不同种类的半焦或不同气化条件下得到的半 焦, 其吸附/ 脱附等温线也有明显的差别. 从半焦的 吸附等温线来看, 常压气化半焦 A C系列与加压气 化初始阶段半焦 P C系列比较接近. 由于常压焦取 自稳定运行的商用气化炉, 而 P C系列的半焦取自 气化的初始非稳定过渡工况的气化炉, 所以 P C系 631东南大学学报( 自然科学版) 第 3 5卷 列还体现不出加压气化条件对半焦的深刻影响, 但 从稳定气化工况的加压半焦2 P C系列的吸附等温 线图 1 ( e ) 、 ( f ) 中, 可看出吸附量成倍增长, 吸附/ 脱附等温线分离程度大大增加, 可见 2 P C系列的 半焦孔隙结构非常发达, 表明了压力下气化能极大 地促进煤焦孔隙的扩展和生成. 图 1 吸附/ 脱附等温线 2 2 比表面积与孔比表面积 从图 2和表 3可以看出, 与原煤相比无论是常 压半焦还是加压半焦, 样品的比表面积 S 0和孔比 表面积 S 都明显增大. 半焦样品的孔比表面积分布 图 2 孔比表面积及其分布 d s( d ) 曲线往往有2个尖峰, 而原煤样品只有一个, 第 1个尖峰对应的孔径稍小于 2n m, 说明微孔的 比表面积大大增加, 尖峰越高对应孔的比表面积增 加就越多, 即生成了新孔; 第2 个尖峰对应的孔径 731第 1期段钰锋, 等 煤气化半焦的孔隙结构 在 3 8n m左右, 这与原煤样品第 1个尖峰的位置 基本相同, 但峰值显然增高了, 也说明 3 8n m左右 的中孔的比表面积增加迅速, 很可能是出现了中孔 的扩展[ 8 , 9 ]. 表 3 原煤与半焦的比表面积 样品种类粒径范围/ m m S 0/ ( m 2g- 1) A C 1 2原煤0 6~ 1 02 6 5 A C 2 1常压半焦0 6~ 1 02 6 2 1 P C 1 2原煤0 6~ 1 03 2 6 P C 2 1过渡态加压半焦0 6~ 1 02 4 9 2 P C 2 1稳态加压半焦0 6~ 1 01 7 8 1 1 A C系列常压半焦与 P C系列加压过渡态半焦 的比表面积和孔比表面积, 无论在数值上还是曲线 分布上都没有明显的差异, 但 2 P C系列的稳态加 压半焦, 无论是比表面积还是孔比表面积都大幅增 加. 特别地, 从孔比表面积的分布图 2 ( b ) 、 ( c ) 、 ( d ) 来看, 2 P C系列的第 1个尖峰与第 2个尖峰不 仅在数值上增大了许多, 而且 2个尖峰的落差也很 大, 这进一步说明加压气化比常压气化更能促进孔 隙的生成和长大, 尤其增加了新生的微孔. 2 3 孔径和比孔容积及其分布 有关孔尺寸的分类本文采用 I U P A C [ 1 0 ]分类 法 孔宽度( p o r ew i d t h ) 小于 2n m的为微孔, 介于 2~ 5 0n m的为中孔, 大于 5 0n m的为大孔, 这种分 类法是按照每一类孔在吸附等温线上的特征吸附 效应来划分的. 原煤与半焦的比孔容积 V及其分布 d v( d ) 有 明显的差别, 如图 3所示. 与原煤相比无论是常压 半焦还是加压半焦, 样品的孔容积明显增大. 和孔 比表面积分布曲线类似, 半焦的孔容分布曲线在起 始处有 1个尖峰, 随孔径增大又回落, 孔径再增大, 开始出现第 2个尖峰, 孔径再增加, 曲线再次回落 并越来越平坦. 第 1个尖峰的出现表明, 原煤经过 气化以后, 小于2 n m的微孔会较大幅度地增加; 第 2个尖峰的出现则表明 3 8n m左右的中孔有进一 步的扩展. 比较 2 P C系列与 P C或 A C系列的样 品, 在压力下经过稳定和比较完全的气化后, 2 P C 系列半焦的孔容有很大幅度的增加, 平均孔径也发 生了变化. 第 1尖峰的出现往往表明新孔的生成, 其峰的高度表明生成的新孔在样品中所占的份额. 相对于 P C或 A C系列的半焦, 2 P C系列的半焦在 3 8n m左右的中孔稳步扩展的同时, 1 4n m左右 的微孔也急剧增加. 图 3 比孔容及其分布 3 结 论 1 )对原煤和半焦的吸附/ 脱附等温线的分析 结果表明, 原煤和半焦样品中既有微孔也有中孔等 较大的孔隙. 半焦的吸附能力较原煤增加很多, 说 明原煤在转化为半焦的过程中, 孔隙结构变得发 达. 在热解和气化过程中, 煤的孔隙在不断变化、 生 831东南大学学报( 自然科学版) 第 3 5卷 长和扩展. 2 )半焦的比表面积和孔比表面积与原煤相比 明显增大. 半焦样品的孔比表面积分布曲线往往形 成 2个尖峰, 而原煤样品只有 1个, 第 1个尖峰对 应于稍小于 2n m左右微孔的比表面积大大增加, 即生成了新孔; 第 2个尖峰对应于 3 8n m左右的 中孔的比表面积迅速增加, 即表明中孔有进一步的 扩展. 3 )半焦的比孔容积与原煤相比也明显增加. 与孔比表面积分布曲线类似, 半焦的比孔容积分布 曲线也形成 2个尖峰, 而原煤样品只有 1个, 第 1 个尖峰和第 2个尖峰对应的孔径也分别在 2n m和 3 8n m左右, 进一步证实气化和燃烧过程中, 半焦 孔隙在不断变化和发展. 4 )煤的气化过程中, 挥发分析出与炭的气化 反应对半焦的形成和孔隙发展起到主导作用. 加压 煤气化过程的碳转化率明显高于常压气化, 其中固 然有反应物浓度的增大对气化产物的贡献, 但加压 后半焦颗粒比表面积、 孔比表面积和比孔容积的增 大对气化反应的进行有明显的促进作用. 参考文献 ( R e f e r e n c e s ) [ 1 ]章名耀,赵长遂, 金保升, 等.增压流化床联合发电技 术 [ M] .南京 东南大学出版社, 1 9 9 8 . 1 0 1 1 . 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Me s o p o r o u s p r o p e r t i e so fp o r o u sc r o s s l i n k e dp o l y s t y r e n ea b s o r b e n t s [ J ] .C h e m i c a l J o u r n a l o f C h i n e s eU n i v e r s i t i e s ,2 0 0 2 , 2 3 ( 8 ) 1 6 2 2 1 6 2 6 . ( i nC h i n e s e ) [ 6 ]袁晓红,姚 源,唐永良.活性炭吸附剂的孔结构表 征 [ J ] .中国粉体技术, 2 0 0 0 , 6 ( 增刊) 1 9 0 1 9 1 . Y u a nX i a o h o n g ,Y a oY u a n ,T a n gY o n g l i a n g .T h ep o r e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i z a t i o no f a c t i v ec a r b o ns o r b e n t [ J ] . C h i n aP o w d e rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ,2 0 0 0 ,6 ( s u p p l ) 1 9 0 1 9 1 . ( i nC h i n e s e ) [ 7 ]d eB o e r J H . T h e s t r u c t u r e a n dp r o p e r t i e s o f p o r o u s m a t e r i a l s [ M] .L o n d o n B u t t e r w o r t h s , 1 9 5 8 . 1 0 5 2 1 0 . [ 8 ]A r e n a s E ,C h e j n eF .T h ee f f e c t o f t h ea c t i v a t i n ga g e n t a n dt e m p e r a t u r eo nt h ep o r o s i t yd e v e l o p m e n t o fp h y s i c a l l ya c t i v a t e dc o a l c h a r s [ J ] .C a r b o n , 2 0 0 4 , 4 2 2 4 5 1 2 4 5 5 . [ 9 ]向银花, 王 洋, 张建民, 等.煤焦气化过程中比表面 积和孔容积变化规律及其影响因素研究[ J ] .燃料化 学学报, 2 0 0 2 , 3 0 ( 2 ) 1 0 8 1 1 2 . X i a n gY i n h u a ,Wa n gY a n g ,Z h a n gJ i a n m i n ,e ta l . S t u d yo ns p e c i f i cs u p e r f i c i a l a r e aa n dp o r o s i t ya n di m p a c t e df a c t o r s d u r i n gg a s i f i c a t i o no f c h a r s [ J ] .J o u r n a l o f F u e l C h e m i s t r ya n dT e c h n o l o g y ,2 0 0 2 , 3 0 ( 2 ) 1 0 8 1 1 2 . ( i nC h i n e s e ) [ 1 0 ]S i n gKS ,E v e r e t t DH ,H a u l RA ,e t a l . R e p o r t i n g p h y s i s o r p t i o nd a t af o rg a s / s o l i ds y s t e m sw i t hs p e c i a l r e f e r e n c et ot h ed e t e r m i n a t i o no f s u r f a c ea r e aa n dp o r o s i t y[ J ] .P u r e&A p p l C h e m ,1 9 8 5 ,5 7 ( 4 ) 6 0 3 6 1 9 . 931第 1期段钰锋, 等 煤气化半焦的孔隙结构