摘要：在我国70%以上的煤炭是直接燃烧的，而焦炭燃烧在整个燃烧过程中一般占到整个燃烧过程中90%以上的时间，所以为了提高煤炭的利用率，提高燃煤经济性，研究煤焦的燃烧特性是非常必要的。锅炉内的煤焦燃烧过程中存在一定量的CO2，煤焦与CO2气化反应就会影响煤粉的燃烧转化率。为了研究具体有多大的影响，本文通过自行搭建的一维沉降炉内，温度为1423 K时，进行了不同浓度CO2对煤焦燃烧特性的影响研究，并结合热重，对CO2气化反应对煤焦转化率的影响进行计算与拟合，并在CO2条件下对气化反应与氧化反应进行研究。

实验结果显示，一定浓度下CO2的气化反应会提高煤焦转化率

关 键 词：CO2气化反应;热重分析;燃烧特性;

煤焦颗粒与CO2会发生气化反应，煤焦与CO2的反应是吸热反应，所以随着反应的不断进行，煤焦颗粒的温度一定会降低，进而会影响到煤焦颗粒的氧化和气化反应的继续进行。在富氧燃烧过程中，由于应用烟气循环+高纯度的氧气来替代原有的供氧方式，在整个煤粉燃烧过程中，所处气体比例发生比较大变化，气体的各种特性也有很大的区别，在这一过程最后的煤焦燃烧过程中，由于CO2的浓度比较高，所以对煤焦的燃尽影响因素非常多，在前人研究的相关文献中已经指出，产生的影响包括但不限于：对于一个特定的炉温和氧气浓度，二氧化碳浓度升高，煤炭挥发份燃烧速度降低，煤碳点火延迟。煤碳颗粒的燃烧速率降低是因为氧在通过由二氧化碳包围的粒子边界层时扩散速率比较低。除了这些已经确认的影响以外，学术界一直在猜测气化反应可以用提高氧气助燃的煤炭燃尽率。而一直以来大家都认为在空气助燃的条件下是非常缓慢的氧化反应，氧气助燃锅炉中比较高浓度的CO2，气化反应可能有利于的整体煤消耗。我试图通过在管式一维沉降炉中进行煤焦的燃烧实验，探究不CO2浓度、不同停留时间下煤碳颗粒的碳转化率的影响因素。

一、停留时间

研究CO2对煤焦转化的影响实验中，本文主要在1423 K的温度下进行实验研究，而在反应体比例方面，将氧气的体积分数分别固定为21%和36%，分别表示标准状况下普通空气的氧气体积分数和富氧情况下的氧气体积分数，对于CO2的体积分数变化值则设置了0%、5%、10%、15%、20%等不同工况，而停留时间也类似于上节中探究氧气对煤焦转化的影响类似，设置了0.2s、0.3s、0.4s、0.5s。

根据实验的结果，可以得出以下结论：在同一反应温度和同种反应气氛条件下，随着煤焦颗粒在一维管式炉内反应区段的停留时间的增长，煤焦中碳转化率不断提高，而且观察图中的转化率随时间的增长趋势，可以发现在现有的实验工况设计下，可以认为碳转化率随时间的增长出现趋势变缓的现象，这也和我们在实际生产应用过程中观察得出的实际结论相吻合。

二、CO2浓度的影响

在1423K的反应温度和0.2-2.5s的反应停留时间条件下，在反应区域通入CO2后，煤焦颗粒中的碳转化率得到明显提高，如对于所通气氛中CO2体积分数占15%的情况而言，在停留时间为0.5s时，与代表普通空气的只含21%氧的条件下的煤焦碳转化率相比，提高了近40%，可以认为由于CO2的通入，加快了煤焦颗粒中碳的转化，分析其原因，首先要考虑的就是CO2与煤焦中碳发生的气化反应，CO2和煤焦强烈的气化反应消耗了大量的碳。结合不同的反应停留时间，在停留时间很短（0.2s）时，虽然CO2的加入增强了煤焦的转化速率，但是由于停留时间短，CO2与煤焦中碳发生气化反应进行不够充分，各浓度CO2条件下对煤焦的转化影响并没有特别大的差别。说明当转化时间很短时，单纯的提高CO2浓度，对提高煤焦转化效率的效果不明显。随着停留时间的增长，可以发现由于CO2的存在，煤焦的转化率明显增高，当停留时间足够长时（高于0.5s），煤焦的转化效率已经很高，已经达到91%，比较不同浓度CO2下的五条碳转化率随停留时间变化的曲线，可以发现随着CO2浓度的增加碳转化效率越来越高，在浓度达到15%时，可以最高限度的提高碳转化率，随着CO2浓度继续增大，碳转化率有减小的趋势。随着CO2浓度越来越高，CO2和煤焦反应越来越剧烈。我们也发现对于煤焦颗粒在CO2/O2/N2气氛下的反应而言，CO2浓度的变化对煤焦中碳转化的影响不是单调的，可能存在这一个最优的CO2浓度值，经过分析认为，由于本身CO2与煤焦中碳的气化反应是一个吸热反应，随着反应的进行，煤焦颗粒表面温度会降低，而温度对具体反应速率产生影响，降低反应速率，虽然煤焦颗粒表面的CO2分压得到提高，但是总体上而言，吸热反应导致的煤焦表面温度降低不仅影响到了气化反应的进行，也影响到了O2与煤焦中碳的正常反应，而且随着CO2浓度的增加，由于CO2气体弱的氧扩散性，氧气扩散速率减慢，导致煤粒附近的O2浓度降低，进而降低了总体碳转化速率。所以综合效果就是CO2浓度对于煤焦中碳转化的影响不是单调的，而是存在一个最优的反应浓度，而这个浓度和具体的反应条件相关，对于本次试验的反应条件，这个最优CO2浓度应该就是在15%左右。

在同一反应气氛（CO2浓度）和同一反应停留时间条件下，反应温度对煤焦中碳转化的影响很大，是煤焦中碳转化率的重要影响因素。随温度升高，煤焦的碳转化率随之相应提高，而且提高温度对调高转化率的效果比较显著。

三、O2浓度的影响

在同一反应温度、同一反应停留时间、同一CO2浓度的条件下，随着焦炭颗粒所处的反应气氛的氧气的体积分数的增加，碳转化率也进而增加，当O2体积分数从21%增加到36%时，碳转化率约增长1.5倍左右，所以可以看出O2体积分数在本实验中对碳转化率的影响的重要程度，这也和实际工程应用中的观察得出的实际转化规律相符。

四、结论

本次主要研究了不同CO2浓度、不同停留时间下煤焦中碳转化率的变化趋势，结果发现在1423K的温度下，CO2与煤焦气化反应产生的双向作用使得煤焦中总的碳转化率变化存在一个临界点，这个临界点对于本文说述及的实验工况而言是CO2浓度处于15%左右时，煤焦中总的碳转化率最高。当CO2浓度高于这个临界点时，随着CO2浓度的升高，煤焦中碳的总转化率反而下降，主要是因为CO2与煤焦的气化反应引起的焦炭颗粒温度降低作用占主导地位，当CO2浓度低于这个临界点时，更高的CO2浓度能显著提高煤焦中碳的消耗速率。主要是因为CO2与煤焦的气化反应引起的碳的消耗占主导地位，使得煤焦的转化速率提高。

参考文献

[1]郑楚光，赵永椿，郭欣.中国富氧转化技术研发进展[J] .中国电机工程学报，2014，8：3854-3863.

[2]范冬梅，张海霞，朱治平等. 一种褐煤煤焦水蒸气和CO2气化活性的对比研究[ J ] .煤焦学报，2013，4：682-688.

[3]雷鸣，王春波，黄星智.CO2气化反应O2 / CO2气氛中煤焦转化特性影响[J] .煤焦学报，2015，11：511-518.

作者简介：

汪明磊（1982.07-），汉族，男，江苏徐州人，硕士（西安交通大学动力工程士），工程师，研究方向：锅炉。