一种CO2富集高压环境下的煤炭急速加热气化燃烧的实验装置的制作方法

本发明涉及一种co2富集高压环境下的煤炭急速加热气化燃烧的实验装置，属于煤气化联合循环发电技术领域。

背景技术：

据国际能源数据统计，中国拥有丰富的煤炭资源，可采煤炭储量位居世界第三位，而在二氧化碳排放量中，中国约占全球的19%，其中煤炭火力发电产生的二氧化碳排放量占中国排放总量的30%左右。国际能源机构提议煤作为长期燃料的继续利用应该在有效的碳管理下采用清洁高效的方式。就备受关注的发电技术而言，提高能源效率是二氧化碳减排的杠杆作用之一。当前燃煤发电的科技先进技术面临着两方面的技术挑战：较高的热效率和碳捕集技术。近来，氧燃料(oxy-fuel)燃烧技术在二氧化碳捕集和低排放的发展上取得了重大的突破。煤气化联合循环(igcc)发电技术结合碳捕集和封存被认为是未来火力发电厂最理想的选择之一。煤气化是一项已经确立了的技术，煤与氧气结合的气化是一种放热反应并生成由一氧化碳(co)、氢气(h2)、碳氢化合物(hcs)组成的可燃性气体以及二氧化碳(co2)。进一步，通过燃烧炉中燃料气与压缩的空气或氧气燃烧产生的高温高压气体联合气体蒸汽涡轮机发电以获取比当前煤炭火力发电厂更高的热效率。一般来说，煤的高温气化是一个非常复杂的过程，其气化化学反应受着煤阶、气化最高温度、升温速率、反应时间、气体环境、气体压强等因素的影响。

通常，煤的热解时间很大程度上依赖于升温速率，换句话说，煤的热解时间随升温速率的提高而减少。并且，煤和炭的气化反应强度在co2/o2或air的气体环境中随着升温速率的提高而增大。先前课题组利用热重差热分析仪探讨了co2浓度和增强的o2比重对煤气化和燃烧反应活性与气体产物的影响。实验结果显示当升温速率超过了40°c·min^-1时，煤转化主要是以煤气化形式完成而不是煤燃烧。但是，热重-差热分析仪受限于煤加热的升温速率（最大:50°c·min^-1）是以°c·min^-1而不是°c·s^-1加热。这样，热重-差热分析仪通常要花费数十分钟或者更长的时间达到工业上具有强热辐射的气化炉的气化温度范围1200~1500°c。因此，到达气化温度前长的升温时间势必促进煤的缓慢氧化燃烧因为低的升温速率。

在过去几十年，随着压强的提高，煤的热解、燃烧和气化特性已经被广泛地研究与探讨。煤的气化反应活性随着系统的压强升高而增强，一般情况下，工业上igcc煤气化技术压强采用1.5~2.5mpa，煤的高压气化不仅能有效提高气化反应强度和热效率，更大大降低了co2的排放。通常，压强的作用有三种情况：固定某一反应气的分压，固定某一反应气的摩尔分数以及固定总压情况下改变某一反应气分压。研究者们使用增压到5mpa的热重-差热分析仪探讨了压强对炭反应的活性，但是，它的升温速率仅仅为10°c·min^-1。研究者在模拟的air(o2/n2,o2:3~21%)和oxy-fuel(o2/co2,o2:5~30%)常压环境下分别采用束管燃烧炉在1400°c温度下和热重-差热分析仪在1200°c温度下研究了煤燃烧与气化反应活性。即使o2的浓度被控制得非常低，但carbon/oxygen分子比在缓慢加热条件下仍能够完成煤的氧化燃烧。因此，了解压强对煤气化与燃烧反应活性以及co、h2和ch4等合成气的产物的影响对未来的igcc技术的发展非常重要。

先前，许多研究者在高或低的升温速率以及常压或高压条件下分析了压强与升温速率对煤化学反应活性的影响，但先前的大多数试验很少同时采用高压高升温速率的系统条件，因为实验室的设备是比较困难达到工业上的要求，以同时获取预期的条件。而且，煤气化反应活性与合成气生成的关系很少在igcc基本特性的基础上进行试验分析研究。另外，大量研究者已经发表了常压下o2/n2和o2/co2不同气体环境下煤的化学特性与对比结果。常压下，煤燃烧温度因气体环境由21%o2/79%co2取代空气（21%o2/79%n2）而降低。通常，为了匹配coal-air燃烧的温度分布，o2/co2混合气体中的o2浓度必须是30%或者更高。然而，即使在相同的o2浓度条件下(5%,10%,21-35%)，co2取代n2使得煤转化率降低，但却增加了co和hcs等合成气的产量。换句话说，相比于o2/n2气体环境，o2/co2气体环境增加了单位质量煤的合成气产量。

除此之外，研究者还探讨了以下三种压强的作用：（1）常压空气基础上，o2分子恒定；（2）air/co2分子比在总气压固定的条件下恒定，即po2/p=3.3%；（3）通过改变air与co2分压维持总气压不变，即p=pair+pco2恒定。特别地，还研究了压强对煤、炭和炭水混合物的气化与燃烧反应活性；急速加热过程中co、h2和ch4等合成气的产量；注入的co2在煤气化与燃烧过程中参与反应的比率；煤与炭在急速加热完成后的转化比率这几方面关键技术的影响。

因此，基于igcc技术的发展，高压系统中采用o2/co2取代o2/n2的可行性分析是非常必要的。鉴于此，需要分析研究与对比co2和n2不同气体环境高温高压条件下，煤气化与燃烧反应活性和合成气的生成；并探讨注入气化炉中参与煤气化的co2与煤转化生成的co2比率，从而进一步确认混合燃料气中co2与o2在高温高压煤气化与燃烧过程中的重要性，以便为未来的igcc技术的发展提供可靠的数据依据。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种co2富集高压环境下的煤炭急速加热气化燃烧的实验装置，该装置可在10s甚至更短的时间内，对煤样进行快速加热，使其在较短的时间内就可以达到目标温度，从而避免煤的缓慢氧化燃烧，提高煤的气化效率。

本发明提供了一种co2富集高压环境下的煤炭急速加热气化燃烧的实验装置，包括注入富集co2与o2混合气的高压反应釜、co2激光束加热装置、激光过滤器、烟气过滤器、空气泵、气罐以及检测仪器，所述检测仪器包括压力表、o2监测仪、co分析仪、合成气检测仪；

气罐通过压力阀和三通接口与实验装置中的进气管路进行连接，在进气管路上设置有第一气压阀、压力表，然后连接注入富集co2与o2混合气的高压反应釜，进气管路上的压力表显示的示数即是注入富集co2与o2混合气的高压反应釜内的压力；

高压反应釜底部中心设有陶瓷圆盘，煤样放置在陶瓷圆盘上，陶瓷圆盘上方设置一个圆柱形敞口容器，高压反应釜上方设有co2激光束加热装置，该装置下部设有激光过滤器，激光经过滤后进入高压反应釜内；

注入富集co2与o2混合气的高压反应釜通过第二气压阀与出气管路进行连接；第二气压阀与烟气过滤器进行连接；

第二气压阀与烟气过滤器之间设有集气袋，在集气袋的两侧分别设有第三气压阀和第四气压阀，该集气袋用于高压下反应气体的收集取样；烟气过滤器依次连接o2监测仪、co分析仪、合成气检测仪；在co分析仪与合成气检测仪之间设有一个空气泵，空气泵使整个实验装置中的气体不断进行循环利用。

上述装置中，在注入富集co2与o2混合气的高压反应釜内，辐射热传导是通过含有等温气体的黑体完成的，根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律计算，辐射热流为5.7×10⁵～11.9×10⁵w·m^-2。

上述装置中，注入富集co2与o2混合气的高压反应釜为一个固定式圆柱形反应釜，高为83mm，内部直径为48mm。

上述装置中，注入富集co2与o2混合气的高压反应釜上部设有一个激光过滤器，所采用的过滤片为硒化锌片，直径为6mm，以便于co2激光束通过。该激光过滤器放置在反应釜内。

所述第二气压阀通过出气管路与烟气过滤器进行连接，对反应后的气体进行过滤，去除一些杂质。

上述装置中，所述烟气过滤器与o2监测仪进行连接，以监测合成气中的氧气浓度。所述o2监测仪与co分析仪进行连接，co分析仪对合成气中的co气体进行分析。所述co分析仪与合成气检测仪进行连接，合成气检测仪用于测量ch4的浓度。

上述装置中，当整个实验装置中的气体流量稳定时，关闭压力阀，停止注入富集co2与o2的混合气。

上述装置中，所述玻璃板为硒化锌玻璃板；激光过滤器为直径为6mm的硒化锌透镜，注入富集co2与o2混合气的高压反应釜底部设有陶瓷圆盘，外侧设有反应釜缸套，上底和下底设有金属固件。

上述装置中，当实验条件在高压和常压两种不同的情况下时，各个气压阀的启闭情况不同，且高压情况下需使用集气袋来收集反应后的气体，而常压情况下不需要使用集气袋；此外高压和常压情况下的气体分析仪器不同，高压情况下的分析仪器是气相色谱仪，而常压情况的反应气体首先通过烟气过滤器进行过滤，然后经过o2监测仪以监测o2浓度的变化。接着经过co分析仪进行co气体分析。再经过空气泵的作用，使反应气体进入合成气检测仪以检测ch4的产生以及浓度的变化。

本发明的有益效果：

利用本发明装置可以在很短时间内实现对煤样品的快速加热，使煤样的温度很快上升到目标温度，缩短了升温时间，避免了煤的缓慢氧化燃烧，提高了煤的气化效率。同时该实验装置不仅可以在常压下进行实验，还可以创造一个高压的实验环境，以研究不同条件下煤炭的气化效率。

附图说明

图1为本发明一种co2富集高压环境下的煤炭急速加热气化燃烧的实验装置的结构示意图。

图2为本发明中注入富集co2与o2混合气的高压反应釜的示意图。

其中：1——气罐；2——压力阀；3——三通接口；4——第一气压阀；5——压力表；6——煤样；7——co2激光束加热装置；8——激光过滤器；9——注入富集co2与o2混合气的高压反应釜；10——第二气压阀；11——第三气压阀；12——第四气压阀；13——圆柱形敞口容器；14——陶瓷圆盘；15——集气袋；16——烟气过滤器；17——o2监测仪；18——co分析仪；19——空气泵；20——合成气检测仪；21——玻璃板；22——金属固件；23——反应釜缸套。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1所示，一种co2富集高压环境下的煤炭急速加热气化燃烧的实验装置，包括注入富集co2与o2混合气的高压反应釜9、co2激光束加热装置7、激光过滤器8、烟气过滤器16、空气泵19、气罐1以及检测仪器，所述检测仪器包括压力表5、o2监测仪17、co分析仪18、合成气检测仪20；

气罐1通过压力阀2和三通接口3与实验装置中的进气管路进行连接，在进气管路上设置有第一气压阀4、压力表5，然后连接注入富集co2与o2混合气的高压反应釜9，进气管路上的压力表5显示的示数即是注入富集co2与o2混合气的高压反应釜9内的压力；

高压反应釜底部中心设有陶瓷圆盘14，煤样6放置在陶瓷圆盘14上，陶瓷圆盘14上方设置一个圆柱形敞口容器13，高压反应釜上方设有co2激光束加热装置7，该装置下部设有激光过滤器8，激光经过滤后进入高压反应釜内；

注入富集co2与o2混合气的高压反应釜9通过第二气压阀10与出气管路进行连接；第二气压阀10与烟气过滤器16进行连接；

第二气压阀10与烟气过滤器16之间设有集气袋15，在集气袋15的两侧分别设有第三气压阀11和第四气压阀12，该集气袋15用于高压下反应气体的收集取样；烟气过滤器16依次连接o2监测仪17、co分析仪18、合成气检测仪20；在co分析仪18与合成气检测仪20之间设有一个空气泵19，空气泵19使整个实验装置中的气体不断进行循环利用。

上述装置中，在注入富集co2与o2混合气的高压反应釜9内，辐射热传导是通过含有等温气体的黑体完成的，根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律计算，辐射热流为5.7×10⁵～11.9×10⁵w·m^-2。

上述装置中，注入富集co2与o2混合气的高压反应釜9为一个固定式圆柱形反应釜，高为83mm，内部直径为48mm。

上述装置中，注入富集co2与o2混合气的高压反应釜9上部设有一个激光过滤器8，所采用的过滤片为硒化锌片，直径为6mm，以便于co2激光束通过。该激光过滤器8放置在反应釜内。

所述第二气压阀10通过出气管路与烟气过滤器16进行连接，对反应后的气体进行过滤，去除一些杂质。

上述装置中，所述烟气过滤器16与o2监测仪17进行连接，以监测合成气中的氧气浓度。所述o2监测仪17与co分析仪18进行连接，co分析仪18对合成气中的co气体进行分析。所述co分析仪18与合成气检测仪20进行连接，合成气检测仪20用于测量ch4的浓度。

上述装置中，当整个实验装置中的气体流量稳定时，关闭压力阀，停止注入富集co2与o2的混合气。

如图2所示，所述玻璃板21为硒化锌玻璃板；激光过滤器22为直径为6mm的硒化锌透镜，注入富集co2与o2混合气的高压反应釜9底部设有陶瓷圆盘14，外侧设有反应釜缸套24，上底和下底设有金属固件23。

上述装置中，当实验条件在高压和常压两种不同的情况下时，各个气压阀的启闭情况不同，且高压情况下需使用集气袋来收集反应后的气体，而常压情况下不需要使用集气袋；此外高压和常压情况下的气体分析仪器不同，高压情况下的分析仪器是气相色谱仪，而常压情况的反应气体首先通过烟气过滤器进行过滤，然后经过o2监测仪以监测o2浓度的变化。接着经过co分析仪进行co气体分析。再经过空气泵的作用，使反应气体进入合成气检测仪以检测ch4的产生以及浓度的变化。

本发明提供的实验装置，具体操作步骤如下：

（1）制备实验所需要的煤样6，准备进行实验。

（2）根据实验需要，预先设定压力值，由压力来控制通入气体的流量。

（3）放入实验煤样6，打开气罐1阀门，开始通气。

（4）采用co2激光束加热装置7对煤样6进行急速加热，使煤样在很短时间内上升到目标温度，达到目标温度之后煤样6开始气化燃烧，产生反应气体。

（5）当实验条件为高压情况时，在通入气体之前应首先关闭第二气压阀10，以创造反应容器内的高压环境。当实验完成后，关闭第四气压阀12，打开第二气压阀10和第三气压阀11，使反应后的气体进入集气袋15中，以便对气体进行取样分析。在高压情况下，所采用的分析仪器是气相色谱仪。

（6）当实验条件为常压情况时，在通入气体之前应首先关闭第三气压阀11和第四气压阀12，保持第一气压阀4和第二气压阀10始终处于开的状态，此时集气袋15闲置不用。实验完成后，反应气体首先通过烟气过滤器16进行过滤，然后经过o2监测仪17，以监测o2浓度的变化。接着经过co分析仪18，进行co气体分析。再经过空气泵19的作用，使反应气体进入合成气检测仪20，主要检测ch4的产生以及浓度的变化。

（7）分析相关实验数据，得出结论。

以上所述仅为本发明的较佳实例，其技术内容与技术特点已揭示如上，但是熟悉本项技术的专业人士仍然可能基于本发明所揭示的内容而做不同的修改、替换以及改进，因此本发明的保护范围不限于实施案例所揭示的技术内容，故凡依据本发明的形状、构造以及原理所做的等效变化均包含在本发明的保护范围内。