等離子體煤轉化技術

1、1等離子體煤轉化技術 姓名:王勝導師:王樹東 研究員 2004.9.28 Seminar 2Outline 等離子體概述等離子體煤轉化技術進展等離子煤轉化機理研究等離子體反應裝置等離子煤轉化固態(tài)產(chǎn)物研究結論3等離子體(Plasma)概述等離子體的產(chǎn)生及其特點等離子體分類等離子體的應用4等離子體的產(chǎn)生及其特點定義等離子體是通過一定的手段(如加熱、放電、激光、微波放電等)使氣體分子離解或電離產(chǎn)生的電子、離子、原子、分子或自由基等粒子所組成的集合體。無論氣體是部分電離還是完全電離，等離子體中的正電荷總數(shù)和負電荷總數(shù)在數(shù)值上總是相等的，故稱之為等離子體.特點l導電性l與磁場的可作用性l電準中性 5等離

2、子體分類按溫度分類i 高溫等離子體ii 低溫等離子體a) 熱等離子體 b) 冷等離子體 按粒子密度分類i 致密等離子體（或高壓等離子體）ii稀薄等離子體（或低壓等離子體）按產(chǎn)生等離子的途徑分類i 燃燒等離子體ii 電弧等離子體iii 高頻等離子體iv 激波等離子體v 激光等離子體vi 聚變等離子體6等離子體的應用等離子體顯示器，等離子體電視，等離子體防雷技術等離子體隱型技術等離子體殺菌技術等離子體噴涂技術等離子體切割技術等離子體光源 7等離子在化學化工中的應用 催化劑的制備和催化反應 等離子體生物質轉化技術 等離子體水處理技術 等離子體廢物處理技術 等離子體食物保鮮技術等離子體溫室氣體研究 等

3、離子體合成技術8電弧熱等離子體的特點高的熱性能高的化學活性極高的冷卻速度化學反應活性可以控制等離子體的運動過程連續(xù)，操作簡便，易于實現(xiàn)工業(yè)化 9等離子體煤轉化技術等離子體煤氣化等離子體煤熱解煤的氣化過程泛指各種煤(焦)與含氧的氣化劑(H2O，CO2)之間的一種不完全反應，最終生成由CO，H2，CO2，CH4，N2，H2S和COS等組成的煤氣 煤的熱解是指煤在惰性氣氛下升溫且無催化的條件下發(fā)生的一系列斷鍵行為, 在這一過程中斷鍵是最基本的行為 10煤氣化工藝國內外研究現(xiàn)狀國際上現(xiàn)已工業(yè)化的煤氣化工藝Lurgi固定床加壓氣化Dow水煤漿加壓氣化Shell粉煤氣化Texaco水煤漿加壓氣化國內現(xiàn)狀2

4、0世紀50年代引進溫克勒流化床煤炭氣化技術 70年代引進了魯奇爐固定床氣化技術 80年代引進了德士古水煤漿加壓氣化技術 2001年中國科學院山西煤化所開發(fā)灰熔聚流化床粉煤氣化技術 11等離子煤氣化優(yōu)勢氣化程度高達90%以上，而且產(chǎn)物氣中CO 和H2的含量較常規(guī)氣化相比有較大的提高;產(chǎn)物氣具有較高的熱值;氣化過程的熱效率高達90%以上;煤中的硫90%以上轉化為H2S，幾乎不放出SO2;沒有CO2排放;單位體積高的能量強度，使得設備結構緊湊;對于原料煤沒有特殊的要求，可以用劣質煤來進行氣化，極大地降低了生產(chǎn)成本;12等離子體煤氣化研究進展（）低溫熱等離子體煤氣化研究概況l60年代，哥倫比亞就研究了

5、純氧、氫氣、一氧化碳化合物、水蒸汽等為工作氣體的等離子體與煤在高溫下氣化，研究認為利用該技術可以制得作為天然氣的代用品;加拿大為了充分利用本國蘊藏豐富的泥煤資源，研究開發(fā)了等離子體泥煤氣化工藝。向6000高溫的等離子體噴槍通入過熱蒸汽，可由泥煤制得甲醇要比以天然氣為原料制得的甲醇便宜得多。l80年代前蘇聯(lián)在熱等離子體氣化領域進行了卓有成效的工作，塔吉克斯坦共和國科學院化學研究所開發(fā)了煤的等離子氣化工藝，它可使煤田每年向杜尚白輸出煤氣28億m3，其煤氣成本比普通氣化法制得的煤氣低10%，而建廠費用只有普通氣化設備投資的50%左右l1995年W.W.Plotczyk對于褐煤進行了等離子氣化，在蒸汽

6、熱等離子中碳轉化為合成氣的轉化率高達90%。CO占反應氣組成的60%，而CO2的含量不超過3%（體積百分含量）lGeorgiev.I.B等研究了在熱等離子體煤氣化過程中，灰含量、氧含量、停留時間和等離子體的類型對這一過程的影響。13等離子體煤氣化研究進展（）低溫冷等離子體研究概況l美國學者對煤在不同微波等離子體（如Ar +H2O）中的氣化行為進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分高的煤有利于氣化，高揮發(fā)分的褐煤和油頁巖氣化產(chǎn)率分別為33.5wt%和31.8wt%，主要產(chǎn)物為H2、CO、C2H2、CH4，產(chǎn)物中H2和CO 的含量較高。l法國學者Djebabra等以制取CO+H2合成氣為目的對煤在蒸汽微波等離

7、子體中的氣化進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)：煤的初始加入量越小、水蒸汽的引入初壓越大、煤與等離子體反應時間越長、CO和H2的產(chǎn)率越高；煤的粒徑對H2和CO 的產(chǎn)率沒有影響。這說明水蒸汽與煤的氣化反應發(fā)生在煤的外表面，不受水蒸汽在煤粒內擴散的影響。Djebabra等還指出微波等離子體預處理后的煤的活性與原煤的活性類似，這樣煤樣可以循環(huán)和水蒸汽發(fā)生氣化反應。l1996年西安石油學院與吉林大學合作，利用外焰型微波等離子體炬管，一改過去在封閉容器中進行等離子化的局面。對煤炭進行等離子體氣化，氣化后CH4、CO含量較文獻值有大幅度的提高。但是，冷等離子體氣化煤的強度低，所以沒有實際的應用價值 14等離子體煤熱解國

8、內外乙炔生產(chǎn)的主要工藝路線烴類裂解法l對環(huán)境的負面影響很小l必須采用淬冷操作來抑制產(chǎn)物的二次分解，從而增加了技術上的復雜性電石法制l歷史悠久、技術水平含量低l能耗大、粉塵和廢水對環(huán)境的污染十分嚴重；等離子體熱解煤制取乙炔l流程短,原料廉價進展 60年代的研究工作主要集中在英國 70年代在美國、東西德國、印度和前蘇聯(lián)展開的研究最多 80年代該課題的研究進入了一個繁榮期，日本、法國和波蘭相繼加入 我國則開始于90年代。15煤等離子體熱解制乙炔實驗研究進展（）操作條件的優(yōu)化粒徑影響等離子體類型供粉速率的影響比能輸入的影響16煤等離子體熱解制乙炔實驗研究進展（）揮發(fā)份影響灰分的影響煤種的篩選17等離子

9、體反應器 5 6 10 9 7 8 產(chǎn)品氣 進水 出水 進水 進水 進水 1 2 4 3 出水 H 2 + Ar Ar煤粉 圖圖 2 2- -7 7 實實驗驗系系統(tǒng)統(tǒng)裝裝配配圖圖 1 陰陰極極 2 絕絕緣緣體體 3 陽陽極極 4電電弧弧 5 進進樣樣口口 6 反反應應器器 7 氣氣樣樣收收集集管管 8 分分離離器器 9淬淬冷冷水水幕幕 10 反反應應器器壁壁 11 過過濾濾器器 等離子體炬 進水 出水 積碳 11 1 1 1 2 3 4 出水 進水 1 取樣口 2 水道 3 冷卻水 4 石墨襯套 圖圖 2 2- -4 4 反反應應器器結結構構示示意意圖圖 A B C D 18等離子煤轉化機理研

10、究煤熱解放出揮發(fā)分；揮發(fā)分和等離子體中的活性組分進一步發(fā)生反應 研究方法:n數(shù)值模擬；n實驗檢測；OES( Optical Emission Spectroscope) 19等離子煤轉化固態(tài)產(chǎn)物研究固態(tài)產(chǎn)物n殘渣(Slag )n結焦物(Coke)n碳黑(Soot) 存在形態(tài)n金剛石n石墨n富勒烯n碳納米管(CNTs)n無定型碳 20結焦物（Coke）研究結焦原理l模型化合物實驗煤 柴油 液體石蠟 甲苯 苯 汽油、正己烷、環(huán)己烷(不嚴重)l產(chǎn)物分析FT-IR消焦技術（雙粒徑消焦技術）21合成碳納米管合成方法l石墨電弧法（Arc/graphite）l化學氣相沉積 (Chemical Vapor Deposition)l激光技術、火焰法、離子輻射法等l電弧射流熱解煤優(yōu)勢l操作簡便、穩(wěn)定及運行時間長l具備了實現(xiàn)碳納米管的連續(xù)批量生產(chǎn)的條件l原料廉價22電弧射流熱解煤合成碳納米管殘渣結焦物2