煤焦颗粒高温气化活性及反应动力学实验研究

It is of great significance to utilize the endothermic reactions of carbon with carbon dioxide and steam vapor to control the particle temperature in the local zone near the burner in a large pulverized coal gasifier in order to protect the burner from destroying by high heat flux. Thus，it is necessary to perform the study on the gasification reactivity and kinetic analysis of coal char particles at high temperature covering the ash melting temperatures. To solve the inherent defects of the previous investigation on coal char gasification reactivity and kinetics, a one-dimensional entrained flow reactor is specially designed with nonintrusive optical measurement technology. The kinetics parameters of heterogeneous reaction between gas of O2/H2O/CO2 and char at high temperature will be obtained with in situ optical measurement. A comprehensive char gasification model will be established involving the reactions of C-CO2, C-H2O and C-O2 with the combination of flue gas analysis, ultimate analysis and morphological characterization of char. We will explore the coupling between exothermic and endothermic reaction in high temperature gasification process under complex environment, find the evolution process of char morphology, structure transformation of microcrystalline and the interaction between slag and carbon substrate, aiming to obtain the controlling factors in the process of coal char gasification. The experimental results will deepen the understanding of high temperature gasification of coal char, which will provide theoretical support for the development of clean and efficient gasification or combustion technologies for pulverized coal.

在大型粉煤气化炉烧嘴附近区域，合理利用煤焦与CO2和H2O的吸热气化反应，调控局部的颗粒反应温度对于防止烧嘴烧坏具有重要意义，迫切需要开展煤焦颗粒在跨灰熔融温区的高温条件下的气化活性和动力学研究。为解决已有煤焦反应活性和动力学研究的固有缺陷，本研究拟在特殊设计的一维携带流反应器上采用非接触光学测量技术，展开对煤焦颗粒在O2-H2O-CO2条件下的异相气固化学反应动力学参数的原位测量，结合烟气分析和颗粒采样、颗粒成分分析和形态表征技术，建立一个综合考虑C-CO2、C-H2O和C-O2 反应的煤焦高温气化和燃烧模型，寻找复杂组分气体中放热与吸热反应的耦合作用，探寻高温气化过程中煤焦形貌和结构演化、微晶结构转变以及熔渣在碳基体上的析出、合并及分离的规律，获得气化反应过程中煤焦活性的控制因素。研究结果必将深化对煤焦高温气化过程的理解，为清洁高效煤粉气化与燃烧技术的开发提供理论支撑。

为解决固体燃料高温热转化过程中积灰结渣问题，合理利用固体燃料焦与CO2和H2O的吸热气化反应，调控颗粒反应温度，开展了固体燃料在跨灰熔融温区的高温条件下的气化活性和动力学研究，同时，为解决已有反应活性和动力学研究的固有缺陷，本项目设计了一维携带流反应器，搭建了非接触式光学测量系统，实现对煤焦颗粒在O2-H2O-CO2 条件下的异相气固化学反应动力学参数的原位测量，结合烟气分析和颗粒采样、颗粒成分分析和形态表征技术，建立了一个综合考虑C-CO2、C-H2O和C-O2 反应的煤焦高温气化模型，揭示了复杂组分气体中放热与吸热反应的耦合作用规律，获得了高温气化过程中固体燃料焦形貌和结构演化、微晶结构转变以及熔渣在碳基体上的析出、合并及分离的规律，提出了“碳骨架-灰骨架”结构演化理论，并探索了残碳含量对煤灰熔流特性的影响规律及作用机制。此外，研究了以生物质为代表的其他固体燃料热转化过程中反应活性的影响因素及变化规律，发现污泥在热解及燃烧过程中失重的阶段性，提出了一种基于DSC-dDSC曲线确定污泥特征温度的新方法，得到了不同气氛对生物质焦-NO还原反应的作用机制。基于上述研究结论，结合热容流率匹配的方法提出新型X-Cycle电站和集成SAH型电站系统。在旋风炉低氧燃烧实验系统上进行褐煤半焦在旋风炉中的贫氧燃烧特性实验，揭示了过量空气系数、二次风温和给煤量对旋风炉低氧燃烧特性和污染物排放特性的影响机制。为清洁高效固体燃料的气化与燃烧技术的开发提供了理论支撑。