文章编号:0253-2409(2001)06-0548-05
收稿日期:2001-03-26；修回日期:2001-11-02
基金项目：云南省应用基础研究基金及云南省青年学术带头人科研基金(970048)
作者简介：金会心(1972-)，女，内蒙古赤峰人，讲师，硕士，热能工程。
金会心1
，王 华
2
(11贵州工业大学冶金工程系，贵州贵阳 550003;21昆明理工大学环境调和型能源新技术研究所，云南昆明 650093)
摘 要：以云南昭通褐煤为原料，在聚光太阳能气化炉内，分别对昭通褐煤热解、气化过程中热解温度、气化温度及蒸汽流量等工艺参数对产品煤气成分的影响规律进行了试验研究。结果表明：随热解温度升高，煤气中CO 2含量逐渐减少,H 2含量增加；在800e 以前C O 和CH 4含量随着温度的升高而增加，当温度高于800e 后其含量随温度的升高而降低。在蒸汽流量一定的条件下，随气化温度升高，煤气中C O 2、H 2的含量下降,C O 含量上升；在一定的气化温度下，随蒸汽流量的增加，煤气中CO 2、H 2含量增加,CO 含量下降。同时根据热解产物量，分别对热解煤气产率、热解效率、热解强度等进行了计算，并通过能量收支平衡计算，得出太阳能的转化效率为38124%。关键词：聚光太阳能；昭通褐煤；褐煤气化；太阳能转化效率中图分类号: 文献标识码:A 人类面临着一次能源短缺与环境污染两大问题，如何合理利用有限的化石能源，不断开发新能源的议
题已被提上日程。目前发达国家正在研究环境调和型能源利用新技术。太阳能具有无污染，可再生两大特点。太阳能可以被转化成化学能，并以化学能的形式储存、输送及利用。煤的太阳能气化就是将太阳能转化成化学能的热化学储能方式之一。据研究表明：由太阳能转化为化学能的转化效率可达75%~80%[1]
。煤气化需要吸收大量的热，传统的煤气化工艺是燃烧部分煤来提供反应所需要的热量，这部分煤占整个气化过程所需原料的30%
[2]
,
这不仅增加了能源的消耗，而且由于煤的部分燃烧，既减低了煤气的得率，又增加了气体产品中CO 2的含量，造成气体产品中可燃成分的比例及热值的下降。煤的太阳能气化工艺由于具有节省昂贵纯氧、生产高热值煤气等优点，已日益受到人们的关注。云南省地处我国云贵高原，太阳能资源和煤炭资源都相当丰富，这就为煤的太阳能气化工艺研究提供了便利的条件。本文利用聚光太阳能对云南昭通褐煤的热解和气化进行了试验研究。
1 试 验
111 试验装置 褐煤的太阳能气化流程如图1所示，主要由五部分组成：太阳能聚光器，气化炉，煤气
冷凝和干燥系统及气体分析仪。聚光器为一直径为118m，抛物线方程为x 2
=214y 的旋转抛物面，在其
内表面帖上50@50@5mm 的玻璃镜片。聚光器主要性能指标见表1。
表1 聚光器主要性能指标
Table 1 T he main function targets of solar concentrator
Items
Value Focal length F P m 016Rate of calibre n 2198Total power N T P Kw 215Reflectance of mirror Q
0176Maximum radiation flux density I max P W(m 2)-15114@105
Maximum optical concentratin g rate C E ,m ax 514Maximum temperature of focal zone
t P e
1353
图1 褐煤的太阳能气化装置流程图Figure 1 The flow diagram of solar gasification
equipmen t on li gni te
1)solar concentrator;2)thermocouple;3)gasi fier;4)water -cooled tube;5)air -cooled tube;6)dry tube;7)filter tube;8)tube gathering liquid
第29卷2001年
第6期
12 月
燃 料 化 学 学 报
JOURNAL OF FUE L CHEMISTRY AND TECHNOLOGY
Vol 129 No 16Dec 1 2001
太阳光经过聚光器反射后，通过气化炉的石英玻璃窗在炉内聚焦成一定大小的焦斑，煤料在焦斑处发生热解反应或与H 2O 蒸汽发生气化反应，产生的煤气经冷凝、干燥、过滤后，取样进行分析。试验中采用奥式气体分析仪对煤气成分进行分析，分析条件为:
(1)二氧化碳用氢氧化钾溶液吸收;
(2)不饱和烃(乙烯、乙炔、苯等)用Ag 2SO 4和NiSO 4的硫酸溶液吸收;
(3)氧用焦性没食子酸碱溶液吸收;
(4)一氧化碳用氨性氯化亚铜溶液吸收;(5)氢、甲烷用燃烧法测得。
112 原料煤性质 试验用原料煤为云南昭通褐煤，昭通褐煤含水分高(全水分大于50%)，化学活性好，在加热状态下挥发分易于析出，适合于利用聚光太阳能对其加热进行热解及气化。昭通褐煤样品工业分析见表2。
表2 昭通褐煤煤样分析
Table 2 The sample analysis of Zhaotong lignite W P %
Proximate analysis
A f W f
V f Q dw P kJ #kg -1
21108131293810518532
Ultimate analysis
C f H f O f
N f S f 33180
4100
26180
0185
0118
113 原料煤的准备 将自然干燥的昭通褐煤粉碎，用孔筛筛分成粒径为019mm~510mm 的试样，每次试验用褐煤量为30g 。试验前，将煤样在电炉内恒温150e ，干燥2h，尽可能使褐煤中水分析出。
2 试验结果及分析
211 热解试验结果分析 试验过程中，根据热电偶温度读数变化，每升高100e 取一次热解煤气样进行成分分析。部分试验结果如表3所示。
表3 热解煤气成分分析
Table 3 The analysis of pyrolysis gas components
Range of temperature t P e
The gas comp osi tions V P %
CO 2CO H 2CH 4C m H n O 2N 2+loses Gas caloric value
Q P MJ(Nm 3)-1
300-40053148185123180181113103153400-5003419111612188111121126126148500-6001711141225121018015018714817600-70061424152916111101301831310148700-8002152317311591901201571610109800-900115231833178190111147159192900-100011221123717717001971391531000-1100
016
1817
4213
610
114
710
9109
煤气成分与热解温度的关系如图2。从图中可以看出，随热解温度的升高，煤气中CO 2含量逐渐减少,H 2含量增加；在800e 以前C O 和C H 4含量随着温度的升高而增加，当温度高于800e 后其含量随温度的升高而降低。这一变化趋势可以解释
为[3]
：褐煤热解过程中，在约200e 脱水结束，脱水完毕至500e 左右是脱挥发分的主要阶段。由于褐煤中
含有较多羧基，热解反应开始时，主要以脱羧基为主，因此煤气中CO 2成分较多。随着热解温度的不断升高，开始脱落键能较小的侧链，使之断裂成一些中小分子挥发物而析出，因而CO 、C H 4和H 2体积增加；当热解温度大于800e 后，煤反应以裂解和缩聚反应为主，除继续产生一些CO 2、CO 、C H 4外,H 2
产量仍继续增加。
图2 热解温度与煤气成分的关系
Figure 2 The relation between the pyrolysis temperature and the gas components
(1)H 2;(2)CO;(3)C H 4;(4)CO 2
5496期金会心等：聚光太阳能加热昭通褐煤的气化试验研究
图3 热解温度与煤气热值的关系
Figure 3 The relation between the pyrolysis temperature and the gas caloric value
煤气热值与热解温度的关系如图3所示。从图中可以看出，随热解温度的升高，煤气热值先增大后
降低，在600e ~800e 范围内有一最大值。这是因为在这一温度范围内,C O 和C H 4的含量都达到最大值，因此热值高；当温度升至800e 以后，煤气中H 2含量继续增加，而CO 、CH 4的含量逐渐呈下降趋势，煤气热值也随之降低。因此要获得高热值煤气，热解温度为600e ~800e 范围较为适宜。212 气化试验结果分析 试验采用的气化剂为H 2O 蒸汽，蒸汽流量由玻璃转子流量计进行计量和
控制。当气化炉炉内温度达到试验设定的气化温度时，开始通入H 2O 蒸汽，使褐煤在高温下与H 2O 蒸汽发生气化反应。当蒸汽流量为142@10-3
m 3
P h
时，测得的代表性煤气成分如表4。
当将气化温度控制在1100e ，用转子流量计控制不同的H 2O 蒸汽流量，测得的一组代表性试验数据如表5。
表4 气化煤气成分分析
Table 4 The analysis of gasification gas components
No 1Gasifying temperature t P e
Gas compositions V P %CO 2CO H 2CH 4C m H n O 2N 2+loses Gas caloric value
Q P MJ(Nm 3)-1
1
7002715317551141101311181581052800271461056132130111107107171390026136105217214011112111371344
1000
2016
1317
4818419012019
1111
8188
表5 气化煤气成分分析
Table 5 The analysis of gasification gas components
No 1Steam flow L P 10-3m 3(h)-1
Gas compositions V P %CO 2CO H 2CH 4C m H n O 2
N 2+loses Gas caloric value
Q P
MJ(Nm 3)-11
401441738194419216013015717101912561871741144017216011017612101663751813142919471021101301961491814
9012
1516
2617
4915215012
111
415
9175 从理论上分析，煤与H 2O 蒸汽的基本化学反应有:
C +H 2O =C O +H 2-17518kJ P mol (1)C +2H 2O =C O 2+2H 2-17911kJ P mol (2)C O +H 2O =C O 2+H 2+3135kJ P mol
(3)
当气化温度在1000e 以上的高温区主要以反应(1)为主，在700e 左右发生的主要反应则为(2)式，其中反应(3)式为辅助反应。所以在蒸汽流量一定的条件下，随气化温度升高，煤气中C O 2、H 2的含量下
降,C O 含量上升，如图3所示。在一定的气化温度下，随蒸汽流量的增加，煤气中CO 2、H 2含量增加,CO 含量下降，如图4所示。
由表4和表5中的数据比较可以看出，气化温
图4 气化温度与煤气成分的关系
Figure 4 The relation between gasification temperature and gas components
(1)H 2;(2)C O 2;(3)CO
550 燃 料 化 学 学 报29卷
图5 蒸汽流量与煤气成分的关系
Figure 5 The relation between the s team flow and the gas components
(1)H 2;(2)CO;(3)CO 2
度和蒸汽流量对气化反应都有一定的影响，气化反应的操作条件不同，产生的煤气成分也不同。所以，褐煤的太阳能气化工艺与传统的气化工艺一样，通
过控制气化操作条件，可获得理想的煤气产品。213 太阳能转化效率分析 以褐煤的热解结果为例，对太阳能的转化效率进行分析。褐煤热解结束后各产物产率分析如表6。
表6 热解产物产率分析
T able 6 The analysis of prod uctivi ty of pyrolysis products Produtcts Content
Mass W P kg @10-3
Fracti on of mass W P %
Coke
131654515Gas 121244018Tar 1189613Water 1117319Loses
1105
315
通过计算，得到褐煤热解指标如表7。
对炉子进行热平衡计算，能量收支平衡如表8。
表7 褐煤热解指标
Table 7 The targets of Li gni te pyrolysis
Items Gas caloric value Q P MJ(Nm 3)-1
Gas productivity l
P Nm 3(kg)-1Pyrolsi s efficiency G P %
Pyrolysis strength p P MJ(m 2#h)-1
Value
10148
0177
43154
5138
表8 能量收支平衡表
Table 8 The table of energy balance (Q P kJ)
Input
Ou tput Solar energy
337134Coke 375178coal
555196
Gas 241198Tar 67119Water 17189Loses
190146Total energy
893130
Total energy
89313
太阳能的转化效率
=
产品产物热量-原料煤热量
所需的太阳能
=38124%因此用太阳能作为褐煤热解的热源，不仅可以节约燃料，而且又可使40%左右的太阳能以化学能的形式储存在热解产物中，增加燃料的净热值。
3 结 论
(1)热解温度对煤气各组分的百分含量有影响。随热解温度升高，煤气中CO 2含量逐渐减少,H 2含量增加；在800e 以前C O 和C H 4含量随着温度的升高而增加，当温度高于800e 后其含量随温度的升高而降低。
(2)气化温度和H 2O 蒸汽流量对煤气各成分的含量有影响。在H 2O 蒸汽流量一定的条件下，随气化温度升高，煤气中CO 2、H 2的含量下降,C O 含量上升；在一定的气化温度下，随H 2O 蒸汽流量的增加，煤气中C O 2、H 2含量增加,CO 含量下降。
(3)太阳能以化学能的形式储存，太阳能的转化效率达到38124%。
(4)在褐煤的太阳能热解工艺中，煤气产率为
0177Nm 3
P kg，热解效率为43154%，热解强度为514MJ P (m 2
#h)。
5516期金会心等：聚光太阳能加热昭通褐煤的气化试验研究
552燃料化学学报29卷
参考文献
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l9(3):373-3781
[2]B rike G,Rermert R1In tegrating high-temperature solar energy wi th fuel upgradin g processes[J]1Solar Thermal Central Receiver Sys-
tems,1987,l2:693-7021
[3]戴和武，谢可玉1褐煤利用技术[M]1北京：煤炭工业出版社,19991300-3011
GASIFICATION OF ZHAOTONG
LIGNITE HEATED BY CONC ENTRATED SOLAR ENERGY
JI N Hu-i xin1,WANG Hua2
(11Department of Metallurgy En gineering Gui z hou Unive rsity o f Technology,Guiyang550003,Chin
a;
21New Energy Techn ique I nstitute o f Environmental Conciliation,Kunming University
of Science an d Technology,Kun min g650093,China)
Abstract:The effect of process parameters,such as the pyrolysis te mperature,gasification temperature and steam flo w on the composition of gas product was studied using Yunnan zhaotong lignite in a concentrated solar gasifier1The results show that CO2c ontent of gas reduces and H2increases with increasing temperature;C O and C H4c ontent of gas increases below800e,and then decrease over800e1At the same stea m flow,CO2and H2of gas reduce and CO increases when the gasification te mperature increased1At the same gasification temperature CO2and H2of gas increase and C O decreases with increasing steam flow1The yield of pyrolysis gas,pyrolysis efficiency and pyrolysis strength are calculated by means of pyrolysis products1And38124%transition efficiency of solar energy is obtained by energy balance1
Key words:concentrated solar energy;zhaotong lignite;lignite gasification;transition efficiency of solar energy Foundation item:Yunnan province spanning cen tury foster found for young learned leader and Yunnan province natural science found (970048)1
Author introduction:JIN Hu-i xin(1972-),female,Master,heating engineering1
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