炭黑和气体组分在煤气化过程中的作用机理研究

炭黑以及气相组成在煤的气化过程中起着非常重要的作用。然而，由于国内外对于炭黑的气化反应以及CO和H2对C-H2O和C-CO2反应机理的影响的研究十分缺少（对炭黑气化的研究甚至未见报道），导致现有的煤气化模型存在着严重缺陷。本研究拟在平流火焰燃烧/气化模拟器中制取真实条件下的炭黑和焦炭，在加压热重分析仪中，研究炭黑的气化反应动力学、CO和H2对C-CO2和C-H2O反应的影响规律，并利用瞬时动力学法、程序升温脱附法及XPS等手段，获得炭黑和焦炭在复杂气氛下气化反应机理，建立真实条件下炭黑和焦炭的气化反应模型。然后，利用此模型采用直接数值模拟的方法来计算单个煤颗粒的气化过程，全面考察煤颗粒在气化过程中的物理结构及气体产物的变化规律。本研究可以填补关于炭黑的气化反应动力学数据的空白，而获得的炭黑和焦炭在真实条件下的气化反应机理则可以弥补现有煤气化模型的缺陷。

气化技术是煤炭转化利用的重要途径，是煤炭清洁高效利用的核心技术,生成的可燃性气体，可用做燃气、还原气和化工合成原料气等。在煤炭的气化过程中，气化氛围对生成半焦和炭黑的孔道结构、物理形态、表面形貌等产生严重的影响，进而影响到半焦和炭黑的气化反应特性和动力学特性。此外，气化过程中产生的炭黑与半焦相比，具有含碳量高 (一般高于90%)、粒径小、结构致密，气化活性低等特点，其气化反应特性及其动力学严重影响了整体气化效率。在气化过程中，单独对炭黑的生成规律以及炭黑的气化反应动力学的研究相对较少，对完善煤的气化反应动力学数据以及建立准确的煤气化反应模型具有重要意义。.在本研究中利用平流火焰燃烧/气化模拟器 (simulator of flat flame combustion/gasification,SFFCG)在真实条件 (即高温、高加热速率以及复杂气氛)制备炭黑，并研究其化学成分、孔结构、物理形态等特性。同时利用高温流化床热解器来制备不同种类的半焦。分别利用微型流化床反应分析仪（MFBRA）和热重分析仪来研究炭黑和半焦在CO2气氛、水蒸汽气氛下的等温气化反应特性和动力学，并得到各自的气化反应速率方程。在此基础上，进一步研究了炭黑和半焦在复杂气氛中和异相反应机理，并建立一个基于这些机理的炭黑和半焦的气化反应模型。上述研究丰富和加深了气化过程中炭黑形成机理和复杂气氛下半焦、炭黑气化反应活性的认识，对气化工艺的设计、开发、模拟和放大具有较好的指导意义。