陳鴻偉，　穆興龍，　王遠(yuǎn)鑫，　羅　敏，　張志遠(yuǎn)

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071003)

?

準(zhǔn)東煤氣化動(dòng)力學(xué)模型研究

陳鴻偉，穆興龍，王遠(yuǎn)鑫，羅敏，張志遠(yuǎn)

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071003)

混合準(zhǔn)東煤原煤與催化劑K2CO3、Ca(OH)2并制成煤樣，在化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制條件下研究其氣化反應(yīng)特性，分析了煤樣質(zhì)量、CO2體積流量和顆粒直徑對(duì)氣化過(guò)程中內(nèi)、外擴(kuò)散阻力的影響，獲得不同反應(yīng)溫度下均相模型、未反應(yīng)芯收縮核模型和修正體積模型的擬合曲線，利用等轉(zhuǎn)化率法計(jì)算氣化反應(yīng)活化能，并通過(guò)催化活性指數(shù)驗(yàn)證了該方法計(jì)算活化能的準(zhǔn)確性.結(jié)果表明：在轉(zhuǎn)化率為0.2、0.4、0.6和0.8時(shí)對(duì)應(yīng)的活化能為100.1～130.2 kJ/mol，3種模型計(jì)算所得活化能分別為128.97 kJ/mol、140.33 kJ/mol和139.43 kJ/mol；均相模型為較合適的氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型.

準(zhǔn)東煤； 氣化； 動(dòng)力學(xué)模型； 等轉(zhuǎn)化率法； 催化活性指數(shù)

鑒于采用煤氣化技術(shù)能有效減少SO2、NO2和固體懸浮物等污染物生成[1]以及新疆發(fā)改委宣布將以準(zhǔn)東煤為原料開(kāi)展國(guó)內(nèi)最大的煤制氣項(xiàng)目，準(zhǔn)東煤氣化過(guò)程研究已成為亟待解決的課題.

影響煤氣化的主要因素包括煤的煤化程度、粒度、最終溫度、升溫速率和熱解壓力等.同時(shí)，確定動(dòng)力計(jì)算模型從而確定煤氣化過(guò)程中氣化反應(yīng)速率和活化能等參數(shù)對(duì)反應(yīng)器的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要影響.劉欽甫等[1]對(duì)不同煤化程度的煤進(jìn)行熱解，結(jié)果表明煤的變質(zhì)程度越高，其熱穩(wěn)定性越高，熱解過(guò)程中分子鍵斷裂所需要的能量也越高.宋紹勇[2]通過(guò)熱解動(dòng)力分析得出，顆粒越小，熱解失重越多，但熱解與煤種有很大的關(guān)系.羅進(jìn)成[3]利用程序升溫?zé)嶂胤ǚ治龅贸?，煤的揮發(fā)分與熱解最終溫度時(shí)的失重率存在線性關(guān)系.常娜等[4]采用熱重和熱紅聯(lián)用技術(shù)分析得出，隨著升溫速率的增大，煤氣釋放速率增大.溫雨鑫[5]對(duì)3種煤種進(jìn)行加壓熱重分析，結(jié)果表明熱解壓力提高會(huì)降低熱解失重.韓亮等[6]利用相關(guān)系數(shù)比對(duì)與等轉(zhuǎn)化率法相結(jié)合的方式，在自建試驗(yàn)臺(tái)上、化學(xué)反應(yīng)控制試驗(yàn)條件下確定了煙煤煤焦等溫CO2氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型.

準(zhǔn)東煤中Na、Ca元素的含量較高，二者影響煤的氣化過(guò)程.Ding等[7]研究了Na元素對(duì)煤的催化氣化作用，隨著Na元素含量的增加，H2和CO的產(chǎn)量增加，并且存在一個(gè)Na元素的催化飽和值.在脫揮發(fā)分時(shí)，Ca最先被轉(zhuǎn)移到細(xì)小的顆粒中，然后大部分顆粒會(huì)發(fā)生Ca與煤中固有黏土金屬的反應(yīng)，形成復(fù)雜的硅鋁酸鹽[8].Wang等[9]通過(guò)在制備煤焦時(shí)加入Ca(OH)2來(lái)觀察K2CO3的催化氣化效果，發(fā)現(xiàn)在制備煤焦時(shí)加入Ca(OH)2可以減輕K2CO3的失活，并且K2CO3表現(xiàn)出更高的氣化反應(yīng)速率.

由于采用不同動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算獲得的動(dòng)力學(xué)參數(shù)各不相同，為探究準(zhǔn)東煤氣化過(guò)程，需首先得到準(zhǔn)確的氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，因此確定氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型是準(zhǔn)東煤氣化研究的首要工作.

筆者采用熱量天平等設(shè)備，利用等轉(zhuǎn)化率法計(jì)算氣化反應(yīng)活化能，并比較了不同模型計(jì)算值與等轉(zhuǎn)化率法計(jì)算值的相似度，以確定較為符合準(zhǔn)東煤氣化過(guò)程的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型.

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)TA instruments公司生產(chǎn)的SDT Q600差示掃描量熱儀與熱重分析儀.實(shí)驗(yàn)氣氛為N2和CO2，惰性氣氛和氣化劑分別由N2鋼瓶和CO2鋼瓶經(jīng)過(guò)減壓閥后提供，2種氣體的純度均大于99.9%，氣體流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制.

1.2實(shí)驗(yàn)煤樣

所采用的實(shí)驗(yàn)煤樣為新疆南露天礦煤，在實(shí)驗(yàn)前將實(shí)驗(yàn)煤樣在105 ℃的干燥箱中干燥6 h以上，再經(jīng)過(guò)篩選得到粒徑小于160 μm的實(shí)驗(yàn)煤樣.煤質(zhì)分析見(jiàn)表1.

表1　煤質(zhì)分析

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為獲得原煤氣化本征動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，首先需要確定合適的實(shí)驗(yàn)條件以消除氣化過(guò)程中內(nèi)、外擴(kuò)散阻力的影響，使得氣化反應(yīng)處于化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制階段.

2.1原煤煤樣質(zhì)量確定

實(shí)驗(yàn)條件為氣化溫度750 ℃，常壓，氣化體積流量100 mL/min，原煤煤樣質(zhì)量7.5 mg、10 mg和12.5 mg，得到3個(gè)煤樣質(zhì)量下的剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)(見(jiàn)圖1，其中TG表示熱重分析).

圖1　煤樣質(zhì)量隨反應(yīng)時(shí)間變化的TG圖Fig.1　TG diagram of coal mass vs. time

由圖1可知，當(dāng)煤樣質(zhì)量小于10 mg時(shí)，不同質(zhì)量煤樣剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不再變化，即表明煤樣質(zhì)量小于10 mg時(shí)，氣化反應(yīng)速率的增大趨勢(shì)將減弱直至不發(fā)生改變.煤樣質(zhì)量達(dá)到一定值時(shí)，擴(kuò)散作用已經(jīng)不是影響煤氣化反應(yīng)速率的控制步驟.煤種和氣化溫度等實(shí)驗(yàn)條件共同決定煤樣質(zhì)量的最佳氣化值.本實(shí)驗(yàn)得出的煤樣質(zhì)量最佳氣化值為10 mg.

2.2CO2體積流量的確定

實(shí)驗(yàn)條件為氣化溫度750 ℃，常壓，采用煤樣質(zhì)量最佳氣化值，氣化體積流量分別為80 mL/min、100 mL/min 和120 mL/min，得到3個(gè)氣化體積流量下煤焦剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氣化反應(yīng)速率隨反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系圖(見(jiàn)圖2).

圖2　不同氣化體積流量下的TG圖Fig.2　TG diagram at different flow rates of CO2

由圖2可以看出，在氣化體積流量大于100 mL/min時(shí)，氣化反應(yīng)速率(即曲線斜率)不再隨氣化體積流量的變化而發(fā)生變化.在此實(shí)驗(yàn)條件下，煤的活化能也將不再受氣化體積流量的影響，故確定氣化實(shí)驗(yàn)中體積流量為100 mL/min.

2.3顆粒直徑的確定

實(shí)驗(yàn)條件為氣化溫度750 ℃，常壓，氣化體積流量100 mL/min，煤樣質(zhì)量10 mg，原煤顆粒直徑80 μm、120 μm和160 μm，得到3個(gè)顆粒直徑下煤樣的剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)和氣化反應(yīng)速率隨反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系圖(見(jiàn)圖3).

圖3　不同顆粒直徑煤樣隨反應(yīng)時(shí)間變化的TG圖Fig.3　TG diagram of particle size vs. time

由圖3可以看出，顆粒直徑變化時(shí)，氣化反應(yīng)速率變化并無(wú)明顯差異，故顆粒直徑小于80 μm即可.因此，確定氣化實(shí)驗(yàn)中煤樣顆粒直徑小于160 μm.

2.4煤中堿金屬對(duì)煤氣化的影響

南露天礦煤中K和Ca元素的含量較為豐富，為研究煤中礦物質(zhì)對(duì)煤氣化的影響，選取了原煤、1.7%CH煤樣(即利用浸漬法混合Ca(OH)2與原煤煤樣，使Ca(OH)2質(zhì)量占總質(zhì)量的1.7%)、1.7%CK煤樣(即利用浸漬法混合K2CO3與原煤煤樣，使K2CO3質(zhì)量占總質(zhì)量的1.7%)和經(jīng)酸洗的煤作為煤樣，分別進(jìn)行氣化實(shí)驗(yàn).

圖4給出了煤中礦物質(zhì)對(duì)氣化反應(yīng)速率的影響.由圖4可知，對(duì)比酸洗煤樣(洗去煤中的礦物質(zhì))與未經(jīng)任何加工的原煤曲線可知，原煤的氣化反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于酸洗煤樣，兩者比值約為4∶1.由此可見(jiàn)，煤中礦物質(zhì)對(duì)煤氣化有較強(qiáng)的促進(jìn)作用.對(duì)比原煤與1.7%CK煤樣和1.7%CH煤樣的曲線可知，K和Ca對(duì)原煤的氣化均有促進(jìn)作用，在本實(shí)驗(yàn)條件下，Ca的促進(jìn)作用比K的促進(jìn)作用更強(qiáng)烈.

圖4　煤中礦物質(zhì)對(duì)氣化反應(yīng)速率的影響Fig.4　Effect of mineral matter in coal on the gasification rate

3　氣體反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型

3.1均相模型

均相模型假設(shè)反應(yīng)在整個(gè)顆粒內(nèi)進(jìn)行，但反應(yīng)進(jìn)行時(shí)固體顆粒的尺寸不變，密度發(fā)生均勻變化.其氣化反應(yīng)速率可表示為

(1)

將式(1)積分可以得到：

(2)

式中：x為煤樣氣化轉(zhuǎn)化率；t為反應(yīng)時(shí)間；k為反應(yīng)速率常數(shù).

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸和的關(guān)系,可以得到原煤在不同溫度下均相模型的擬合曲線圖(見(jiàn)圖5).

3.2未反應(yīng)芯收縮核模型

未反應(yīng)芯收縮核模型假設(shè)氣化劑只在未反應(yīng)核表面進(jìn)行，并不滲透到芯核內(nèi)部，且反應(yīng)從球形顆粒的外表面開(kāi)始，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)表面逐漸向顆粒內(nèi)部移動(dòng)，這樣就使得已反應(yīng)的部分形成一層灰層，未反應(yīng)的芯核隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸向內(nèi)收縮.其氣化反應(yīng)速率可表示為

圖5　均相模型的擬合曲線Fig.5　Fitting curves obtained by homogeneous model

(3)

Leonhardt等[10]用未反應(yīng)芯收縮核模型來(lái)描述實(shí)驗(yàn)室條件下K的催化氣化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)該模型的適用性與煤中灰分含量密切相關(guān).對(duì)于低灰分煤種而言，在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中動(dòng)力學(xué)方程參數(shù)n的取值可以很好地描述煤的催化氣化過(guò)程.但對(duì)于高灰分煤種，在整個(gè)氣化過(guò)程中不存在一個(gè)固定的n值，n與3個(gè)因素有關(guān)，即灰分與K的反應(yīng)、灰分與K的濃度、灰分自身的礦物質(zhì)化和化學(xué)反應(yīng).Zhang等[11]研究了我國(guó)6種無(wú)煙煤煤焦的CO2氣化反應(yīng)，利用未反應(yīng)芯收縮核模型可以很好地描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并且活化能在146～202 kJ/mol.

將式(3)積分可得到轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系：

(4)

根據(jù)式(4)，得到原煤在不同溫度下未反應(yīng)芯收縮核模型的擬合曲線(見(jiàn)圖6).

圖6　未反應(yīng)芯收縮核模型的擬合曲線Fig.6　Fitting curves obtained by unreacted shrinking core model

3.3修正體積模型

為了分析煤焦的氣化反應(yīng)活性，引入以下轉(zhuǎn)化率方程：

(5)

式中：a和b為對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸得到的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，修正體積模型是對(duì)均相模型進(jìn)行修正的，引入這2個(gè)參數(shù)以適應(yīng)氣化反應(yīng)速率隨反應(yīng)時(shí)間先增大后減小的變化趨勢(shì).

將式(5)微分可得到反應(yīng)速率常數(shù)：

(6)

式中:ki為某一時(shí)間點(diǎn)的反應(yīng)速率常數(shù).

聯(lián)立式(5)和式(6)可得：

(7)

Lee等[12]在研究澳大利亞次煙煤煤焦的水蒸氣無(wú)催化劑氣化時(shí)指出,用修正體積模型可以很好地描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

對(duì)比式(6)和式(7)可以得出反應(yīng)速率常數(shù)：

(8)

根據(jù)式(8)，利用Origin軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸，得到經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(見(jiàn)表2).將經(jīng)驗(yàn)常數(shù)帶入式(8)，可得到不同轉(zhuǎn)化率時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù).

表2　不同溫度下經(jīng)驗(yàn)常數(shù)值

3.4動(dòng)力學(xué)參數(shù)求取

對(duì)于均相模型和未反應(yīng)芯收縮核模型，分別根據(jù)圖4和圖5中回歸直線的斜率計(jì)算得到不同溫度下原煤氣化反應(yīng)速率常數(shù).

對(duì)于修正體積模型，取x=0.5時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù)為平均反應(yīng)速率常數(shù)，并將表2中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)值代入式(8)，可得到不同溫度下的反應(yīng)速率常數(shù).

對(duì)阿倫尼烏斯定律公式兩邊取自然對(duì)數(shù)可得：

(9)

式中:E為活化能,kJ/mol;T為溫度,K;R為通用氣體常數(shù),kJ/(mol·K);k0為頻率因子,s-1.

根據(jù)不同溫度下計(jì)算得到的k值，由式(9)線性

回歸計(jì)算活化能(即直線斜率)和頻率因子(即直線截距)，3種模型的回歸直線如圖7所示.3種模型回歸直線的線性相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表3.

圖7　3種模型-ln k與1/T的擬合曲線Fig.7　Fitting curve of -ln k and 1/T by three models表3　3種模型的線性相關(guān)系數(shù)Tab.3　Linear correlation coefficients of three models

溫度/℃均相模型未反應(yīng)芯收縮核模型修正體積模型7500.95020.97720.99828000.96990.98980.99968500.99200.99980.99799000.98470.99740.9951

采用3種模型計(jì)算得到原煤的反應(yīng)速率常數(shù)k、活化能E和頻率因子k0如表4所示.

表4　3種模型計(jì)算得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

3.5等轉(zhuǎn)化率法

轉(zhuǎn)化率是在某一特定反應(yīng)時(shí)間下計(jì)算得到的，其初始質(zhì)量由熱重分析儀(TGA)讀取，定義如下：

(10)

式中：m0為煤樣的初始質(zhì)量，mg；mt為煤樣在某一特定時(shí)刻下的質(zhì)量，mg；ma為完全反應(yīng)后剩余煤灰的質(zhì)量，mg.

氣化反應(yīng)速率能夠表征煤焦的反應(yīng)活性，在不考慮催化劑影響及傳質(zhì)限制的情況下，氣化反應(yīng)速率為

(11)

式中：f(x)為煤焦氣化反應(yīng)機(jī)理函數(shù).

由式(10)、式(11)和阿倫尼烏斯定律可得：

(12)

對(duì)機(jī)理函數(shù)f(x)積分可得：

(13)

式中:G(x)為f(x)的積分函數(shù).

對(duì)式(13)兩邊取對(duì)數(shù)并變形可得：

(14)

圖8　不同轉(zhuǎn)化率時(shí)ln t與1/T的關(guān)系

Fig.8Relationship between lntand 1/Tat different conversion rates

由斜率計(jì)算得到不同轉(zhuǎn)化率時(shí)氣化反應(yīng)活化能為100.1～130.2 kJ/mol，由均相模型所得的活化能(見(jiàn)表5)在該范圍內(nèi)，而由未反應(yīng)芯收縮核模型和修正體積模型計(jì)算得到的結(jié)果不在該范圍內(nèi).因此，均相模型為較合適的氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型.

圖9　不同催化劑對(duì)應(yīng)的ln t與1/T的關(guān)系Fig.9　Relationship between ln t and 1/T with different catalysts表5　不同催化劑對(duì)應(yīng)的氣化反應(yīng)活化能Tab.5　Activation energy of coal with different catalysts

參數(shù)原煤CH煤樣CK煤樣E/(kJ·mol-1)116.387.3103.7Rs8.982×10-31.922×10-21.282×10-2

(15)

式中：τ0.5為碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%時(shí)所需的時(shí)間，表示一個(gè)平均數(shù).

比較表5中催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.7%時(shí)，3種煤樣Rs值由大到小為：CH煤樣>CK煤樣>原煤.由催化活性指數(shù)概念可知，氣化反應(yīng)速率與催化活性指數(shù)成正比，又因活化能與氣化反應(yīng)速率成反比，故推算活化能由大到小應(yīng)為：原煤>CK煤樣>CH煤樣，與表5中由等轉(zhuǎn)化率法計(jì)算所得出的結(jié)論一致，驗(yàn)證了等轉(zhuǎn)化率法計(jì)算活化能的準(zhǔn)確性，該方法不僅可以用來(lái)計(jì)算活化能值，還可以作為描述不同氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的判斷依據(jù)之一.

4　結(jié)　論

(1) 采用均相模型、未反應(yīng)芯收縮核模型和修正體積模型計(jì)算所得氣化反應(yīng)活化能分別為128.97 kJ/mol、140.33 kJ/mol和139.43 kJ/mol.采用等轉(zhuǎn)化率法避開(kāi)選擇反應(yīng)機(jī)理函數(shù)，得到氣化反應(yīng)活化能為100.1～130.2 kJ/mol，均相模型為較合適的氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型.

(2) 引入催化活性指數(shù)，利用等轉(zhuǎn)化率法計(jì)算所得南露天礦煤原煤、CH煤樣、CK煤樣的活化能分別為116.3 kJ/mol、87.3 kJ/mol和103.7 kJ/mol，對(duì)應(yīng)的Rs值分別為8.982×10-3、1.922×10-2和1.282×10-2.因Rs值與活化能成反比，以上活化能計(jì)算結(jié)果與模型計(jì)算結(jié)果一致，驗(yàn)證了等轉(zhuǎn)化率法計(jì)算活化能的準(zhǔn)確性，可以進(jìn)一步確定均相模型為較合適的氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型.

[1]劉欽甫, 徐占杰, 崔曉南, 等. 不同煤化程度煤的熱解及氮的釋放行為[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2015, 40(2): 450-455.

LIU Qinfu, XU Zhanjie, CUI Xiaonan,etal. Release behavior of nitrogen in different rank coals during pyrolysis[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(2): 450-455.

[2]宋紹勇. 煤熱解動(dòng)學(xué)及其機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 太原: 太原理工大學(xué), 2002.

[3]羅進(jìn)成. 中國(guó)西部五種典型煤的熱解及催化加氫熱解行為熱重研究[D]. 西安: 西北大學(xué), 2008.

[4]常娜, 甘艷萍, 陳延信. 升溫速率及熱解溫度對(duì)煤熱解過(guò)程的影響[J]. 煤炭轉(zhuǎn)化, 2012, 35(3): 1-5.

CHANG Na, GAN Yanping, CHEN Yanxin. Study on the effects of heating rate and temperature to coal pyrolysis[J]. Coal Conversion, 2012, 35(3): 1-5.

[5]溫雨鑫. 高升溫速率和壓力條件下的煤熱解和氣化特性研究[D]. 北京: 中國(guó)科學(xué)院研究生院(工程熱物理研究所), 2013.

[6]韓亮, 陳鴻偉, 高松, 等. 煙煤煤焦等溫CO2氣化動(dòng)力學(xué)模型研究[J]. 鍋爐技術(shù), 2012, 43(4): 67-71.

HAN Liang, CHEN Hongwei, GAO Song,etal. Kinetic model study on isothermal gasification of bituminous coal char by CO2[J]. Boiler Technology, 2012, 43(4): 67-71.

[7]DING Lu, ZHOU Zhijie, GUO Qinghua,etal. Catalytic effects of Na2CO3additive on coal pyrolysis and gasification[J]. Fuel, 2015, 142: 134-144.

[8]MATSUOKA K, YAMASHITA T, KURAMOTO K,etal. Transformation of alkali and alkaline earth metals in low rank coal during gasification[J]. Fuel, 2008, 87(6): 885-893.

[9]WANG Jie, YAO Yihong, CAO Jianqin,etal. Enhanced catalysis of K2CO3for steam gasification of coal char by using Ca(OH)2in char preparation[J]. Fuel, 2010, 89(2): 310-317.

[10]LEONHARDT P, SULIMMA A, HEEK K. Steam gasification of German hard coal using alkaline catalysts: effects of carbon burn-off and ash content[J]. Fuel, 1983, 62(2): 200-204.

[11]ZHANG Linxian, HUANG Jiejie, FANG Yitian,etal. Gasification reactivity and kinetics of typical Chi-nese anthracite chars with steam and CO2[J]. Energy & Fuels, 2006, 20(3): 1201-1210.

[12]LEE W J, KIM S D. Catalytic activity of alkali and transition metal salt mixtures for steam-char gasification[J]. Fuel, 1995, 74(9): 1387-1393.

Study on Kinetic Models for Zhundong Coal Gasification

CHENHongwei,MUXinglong,WANGYuanxin,LUOMin,ZHANGZhiyuan

(MOE's Key Lab of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment,North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

Gasification characteristics of Zhundong coal mixed with catalyst K2CO3and Ca(OH)2respectively were studied in a chemical kinetic controlled regime, so as to analyze the effects of following factors on the internal and external diffusion resistance in the process of gasification, such as the amount of coal sample, the CO2flow rate and the particle size, etc., and to obtain the fitting curves of Zhundong coal gasification at different temperatures by the homogeneous model (HM), unreacted shrinking core model (SCM) and modified volumetric model (MVM) separately, based on which the activation energy was calculated using isoconversional method, while the accuracy of the method was verified with catalytic activity index. Results show that for conversion rates of 0.2, 0.4, 0.6 and 0.8, the corresponding activation energy lies in 100.1-130.2 kJ/mol, and the results calculated by above three models are 128.97 kJ/mol, 140.33 kJ/mol and 139.43 kJ/mol accordingly, proving HM to be the most appropriate kinetic model.

Zhundong coal; gasification; kinetic model; isoconversional method; catalytic activity index

2015-11-03

2015-12-31

陳鴻偉(1965-)，男，四川達(dá)州人，教授，博士，主要從事高效、清潔燃燒及環(huán)境污染控制方面的研究.

電話(Tel.)：0312-7522816；E-mail：hdchw@126.com.

1674-7607(2016)09-0690-07

TK16

A學(xué)科分類號(hào)：470.30