等離子體煤轉(zhuǎn)化技術(shù)

1、等離子體煤轉(zhuǎn)化技術(shù),姓名: 導(dǎo)師:王樹東 研究員 2004.9.28,Seminar ,2,Outline,等離子體概述 等離子體煤轉(zhuǎn)化技術(shù)進(jìn)展 等離子煤轉(zhuǎn)化機(jī)理研究 等離子體反應(yīng)裝置 等離子煤轉(zhuǎn)化固態(tài)產(chǎn)物研究 結(jié)論,3,等離子體(Plasma)概述,等離子體的產(chǎn)生及其特點(diǎn) 等離子體分類 等離子體的應(yīng)用,4,等離子體的產(chǎn)生及其特點(diǎn),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(fù)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(diǎn) 導(dǎo)電性 與磁

2、場的可作用性 電準(zhǔn)中性,5,等離子體分類,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(yīng)用,等離子體顯示器，等離子體電視， 等離子體防雷技術(shù) 等離子體隱型技術(shù) 等離子體殺菌技術(shù) 等離子體噴涂技術(shù) 等離子體切割技術(shù) 等離子體光源,7,等離子在化學(xué)化工中的應(yīng)用,催化劑的制備和催化反應(yīng) 等離子體生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù) 等離子體

3、水處理技術(shù) 等離子體廢物處理技術(shù) 等離子體食物保鮮技術(shù) 等離子體溫室氣體研究 等離子體合成技術(shù),8,電弧熱等離子體的特點(diǎn),高的熱性能 高的化學(xué)活性 極高的冷卻速度 化學(xué)反應(yīng)活性可以控制 等離子體的運(yùn)動 過程連續(xù)，操作簡便，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化,9,等離子體煤轉(zhuǎn)化技術(shù),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(yīng)，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(nèi)外研究現(xiàn)狀,國際上現(xiàn)已工業(yè)化的

4、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(nèi)現(xiàn)狀 20世紀(jì)50年代引進(jìn)溫克勒流化床煤炭氣化技術(shù) 70年代引進(jìn)了魯奇爐固定床氣化技術(shù) 80年代引進(jìn)了德士古水煤漿加壓氣化技術(shù) 2001年中國科學(xué)院山西煤化所開發(fā)灰熔聚流化床粉煤氣化技術(shù),11,等離子煤氣化,優(yōu)勢 氣化程度高達(dá)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(dá)90%以上; 煤中的硫90%以上轉(zhuǎn)化為H2S，幾乎不放出SO2; 沒有CO2排放; 單位體積高的能量強(qiáng)度，使得設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊; 對于原料煤沒有特殊的

5、要求，可以用劣質(zhì)煤來進(jìn)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(jìn)展（）,低溫?zé)岬入x子體煤氣化研究概況 60年代，哥倫比亞就研究了純氧、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(rèn)為利用該技術(shù)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(yùn)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。 80年代前蘇聯(lián)在熱等離子體氣化領(lǐng)域進(jìn)行了卓有成效的工作，塔吉克斯坦共和國科學(xué)院化學(xué)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

6、本比普通氣化法制得的煤氣低10%，而建廠費(fèi)用只有普通氣化設(shè)備投資的50%左右 1995年W.W.Plotczyk對于褐煤進(jìn)行了等離子氣化，在蒸汽熱等離子中碳轉(zhuǎn)化為合成氣的轉(zhuǎn)化率高達(dá)90%。CO占反應(yīng)氣組成的60%，而CO2的含量不超過3%（體積百分含量） Georgiev.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(jìn)展（）,低溫冷等離子體研究概況 美國學(xué)者對煤在不同微波等離子體（如Ar +H2O）中的氣化行為進(jìn)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31.8w

7、t%，主要產(chǎn)物為H2、CO、C2H2、CH4，產(chǎn)物中H2和CO 的含量較高。 法國學(xué)者Djebabra等以制取CO+H2合成氣為目的對煤在蒸汽微波等離子體中的氣化進(jìn)行了研究，結(jié)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(yīng)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(yīng)發(fā)生在煤的外表面，不受水蒸汽在煤粒內(nèi)擴(kuò)散的影響。Djebabra等還指出微波等離子體預(yù)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(yīng)。 1996年西安石油學(xué)院與吉林大學(xué)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(jìn)行等離子化的局

8、面。對煤炭進(jìn)行等離子體氣化，氣化后CH4、CO含量較文獻(xiàn)值有大幅度的提高。 但是，冷等離子體氣化煤的強(qiáng)度低，所以沒有實(shí)際的應(yīng)用價值,14,等離子體煤熱解,國內(nèi)外乙炔生產(chǎn)的主要工藝路線 烴類裂解法 對環(huán)境的負(fù)面影響很小 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(shù)上的復(fù)雜性 電石法制 歷史悠久、技術(shù)水平含量低 能耗大、粉塵和廢水對環(huán)境的污染十分嚴(yán)重； 等離子體熱解煤制取乙炔 流程短,原料廉價 進(jìn)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(jìn)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

9、熱解制乙炔實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)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(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展（）,揮發(fā)份影響,灰分的影響,煤種的篩選,17,等離子體反應(yīng)器,18,等離子煤轉(zhuǎn)化機(jī)理研究,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(jìn)一步發(fā)生反應(yīng),研究方法: 數(shù)值模擬； 實(shí)驗(yàn)檢測； OES( Optical Emission Spectroscope),19,等離子煤轉(zhuǎn)化固態(tài)產(chǎn)物研究,固態(tài)產(chǎn)物 殘渣(Slag ) 結(jié)焦物(Coke) 碳黑(Soot) 存在形態(tài) 金剛石 石墨 富勒烯 碳納米管(CNTs) 無定型碳,20,結(jié)焦物（Coke）研究,結(jié)焦原理 模型化合物實(shí)驗(yàn) 煤 柴油 液體石蠟 甲苯 苯 汽油、正己烷、環(huán)己烷(不嚴(yán)重) 產(chǎn)物分析 FT-IR 消焦技術(shù)（雙粒徑消焦技術(shù)）,21,合成碳納米管,合成方法 石墨電弧法（Arc/graphite） 化學(xué)氣相沉積 (Chemical Vapor Deposition) 激光技術(shù)、火焰法、離子輻射法等 電弧射流熱解煤 優(yōu)勢 操作簡便、穩(wěn)定及運(yùn)行時間長 具備了實(shí)現(xiàn)碳納米管的連續(xù)批量生產(chǎn)的條件 原料廉價,22,電弧射流熱解煤合成碳納米管,殘渣,結(jié)焦物,23,催化劑對生成碳納米管的影響,Cu,C