葉詩瑛
(合肥熱電集團有限公司 安徽合肥 230001)
煤粒徑的大小對CO2在煤焦表面的傳質(zhì)影響甚遠;顆粒越大,對CO2與煤焦之間的傳質(zhì)阻力就更大,進而影響焦-CO2的氣化反應速率[1,2]。同時,在相同的溫度下,不同粒徑的煤熱解后所得到的焦炭顆粒的孔隙度也有很大差異[3]。因此,本文研究了粒徑對焦-CO2氣化反應的影響,并采用隨機孔模型對焦-CO2氣化反應動力學研究。
煤樣的元素分析及工業(yè)分析如表1所示。
表1 煤的工業(yè)分析和元素分析
氣化實驗熱重分析儀中進行,具體實驗步驟如下:取10±0.5 mg樣品至于托盤中,在N2環(huán)境中以10℃/min的升溫速率將樣品加熱至設定溫度,保持10min,將N2切換為CO2,開始焦氣化實驗,保溫120min。其中,CO2和N2的流量均為50ml/min。
煤焦氣化的轉(zhuǎn)化率計算公式如下:
式中,m0、mt、mash分別代表樣品的初始質(zhì)量、反應時間為t時的質(zhì)量和灰分的質(zhì)量。氣化反應速率計算公式如下:
不同溫度下不同粒徑樣品氣化時碳轉(zhuǎn)化率隨時間的變化,如圖1所示。由圖可知,在相同溫度下,煤焦顆粒越小越有利于焦-CO2氣化反應的進行,如900℃氣化反應時間40min時,顆粒大小為400目的煤焦已經(jīng)完全反應,300目μm的煤焦轉(zhuǎn)化了~70%,而200目的煤焦僅轉(zhuǎn)化了~30%,100目煤焦轉(zhuǎn)化了~50%;由此說明煤的顆粒大小對熱解后焦的形成及焦-CO2氣化反應有較大的影響。
圖1 焦-CO2氣化反應碳轉(zhuǎn)化率與時間的關系
Random pore model是由 Bhatia and Perlmutter[4]和 Gavalas[5]提出的用于描述焦氣化反應動力學與顆??捉Y(jié)構(gòu)之間關系的動力學模型。由于這個動力學模型能很好的描述氣化過程中顆粒孔結(jié)構(gòu)的變化,從而得到廣泛的應用[4]。
式中,k為反應速率常數(shù),ψ為焦炭的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
采用隨機孔模型對不同粒徑下的焦-CO2氣化反應進行描述。動力學計算模擬如圖2所示,動力學參數(shù)如表2所示。
圖2 隨機孔模型擬合煤焦-CO2氣化反應圖
由圖2可知煤焦-CO2氣化反應函數(shù)擬合中,有一些隨機孔模型的函數(shù)曲線基本是一條直線。結(jié)合表2可知,隨機孔模型的函數(shù)擬合結(jié)果是直線,這主要是因為隨機孔模型中的煤焦結(jié)構(gòu)參數(shù)ψ即為負值;由公式ψ的計算可知,ψ值定為一個正數(shù)。超越了邊界值,公式中的(根號下面的那個公式)變?yōu)?,此時,隨機空模型變?yōu)榫喾磻P汀8呋曳謱饣^程煤焦的孔結(jié)構(gòu)演變影響很大,導致過程中煤焦孔結(jié)構(gòu)變化不遵循隨機孔模型的規(guī)律。
表2 隨機孔模型擬合煤焦-CO2氣化反應參數(shù)
本文討論了隨機孔模型描述了不同粒徑煤焦下與CO2的氣化反應,發(fā)現(xiàn)隨機孔模型模擬計算中煤焦結(jié)構(gòu)參數(shù)為0,說明隨機孔模型不能很好的用于高灰分含量煤焦氣化動力學的計算。