铜渣催化气化可燃固体废弃物过程中铜熔渣释能及催化效应的协同机制

In order to solve the key problem of low recovery of waste heat in melting copper slag, the project proposed a process of the catalystic gasification of comustibale solid waste over melting copper slag. The characteristics of release energy, the transitional characteristics of the chemical states of effective catalytic components, the evolution mechanism between mineralogical structure and physical properties of copper slag and the mechanism of catalytic reaction would be studied. The effective factors would be grasped, such as the mechanism of waste to chemical energy, transition and structural characteristics of catalytic components, control and coordination mechanism of strengthening kinetics during the direct smelting reduction of copper slag. The organic coupling and coordination of the novel technology will realize about the efficient utilization of combustible solid waste and the recycling of heat resources from copper slag. The synergistic reinforcement theory would be developed about heat transfer and multiphase complex catalytic chemical reaction of copper slag during the gasification process of combustible solid waste. A theoretical and practical foundation would be built of the catalytic gasification process of combustible solid waste over hot copper slag and the Comprehensive utilization and recycling of copper slag. This study will promote the technology development including the energy technology of combustible solid waste and innovation technology of high quality, efficient utilization of waste heat from copper slag.

为了解决铜渣余热回收率低的关键问题，本项目提出可燃固体废弃物耦合高温铜渣进行催化气化的新思路。深入研究高温熔融铜渣的释能特性及其在热化学条件下有效催化组分及其化学态的转变规律、高温多相热反应体系铜渣矿相重构原理与铜渣催化物性演变机制及其相关过程的催化反应机理，分析熔渣余热化学能转变机理、催化组分的转变与结构特点、催化反应动力学强化的控制和协同机制等，掌握高温铜渣释能与其催化性能强化的控制途径和协同机制，实现铜渣余热回收与可燃固体废弃物高效热转化过程的有机耦合和协同，构建基于可燃固体废弃物气化过程中高温铜渣能质传递与多相复杂催化热化学反应协同强化理论，为进一步完善可燃固体废弃物耦合铜渣余热催化气化工艺和综合利用与回收铜渣资源提供理论和实践基础，推动可燃固体废弃物能源化处理和熔渣余热利用领域中的技术创新。

针对铜渣余热资源量达，回收技术难度大、利用效率低的问题，研发了可燃固体废弃物耦合高温铜渣进行催化气化的余热回收技术。研究了可燃固体废弃物氛围内铜渣释能过程时组分的动态变化特性，得出铜渣有效催化组分Fe、Cu金属的赋存形态以及在可燃固体废弃物热化学转化中的催化作用。获得了可燃固体废弃物气化过程中铜渣催化的反应机理、影响因素和强化催化反应进程的条件，获得高温铜渣释能与其催化性能强化的控制途径和协同机制，掌握了可燃固体废弃物中C-C、C-H、C-O键的活化和热力断键规律。冷却铜渣在加热氧化条件下铁橄榄石组分氧化转变为赤铁矿和非晶态硅石，其次是磁铁矿发生Fe3O4→γ-Fe2O3→α-Fe2O3的晶型转变过程。铜渣催化剂组分中Fe2O3、CaAl4Fe8O19和CaSiO3等活性组分有效地促进了可燃固体废弃物气化后焦油和不凝结气体中小分子烃类的裂解。热铜渣冷却在空气的搅拌及添加CaO的作用下，催化活性组分氧化铁得以进一步加强，表面结构则更为疏松，可有效促进木屑气化催化重整反应进程，提高了H2的产率、可燃气组分浓度及产气总量。生物质合成气转化率增加到73.73%，H2产率提高了94.48%，燃气中H2的浓度提高了54.95%，CH4浓度降低了48.83%。构建了基于铜渣催化功能调控和能量优化匹配的高效热转化理论和方法；1250℃的熔融铜渣的余热高达1.773 MJ/kg，充分利用铜渣显热和潜热气化生物质产生的合成气热值可高达13319 kJ。在最优气化工况下，1 kg原料气化需要1.92 kg铜渣，热态铜渣催化气化可燃固体废弃物的能量利用率可达62.94%。对于以生物质和塑料为可燃固体废弃物典型组分的混合物，通过铜渣催化气化可提升可燃气组分，实现合成气产量高达31.04 %。基于可燃固体废弃物气化-铜渣释能-铜渣催化反应三位一体耦合的熔融铜渣余热高效利用新模式，实现铜渣余热回收与可燃固体废弃物高效热转化过程的有机耦合和协同，完善了基于可燃固体废弃物气化过程中高温铜渣能质传递与多相复杂催化热化学反应协同强化理论。国内外核心期刊发表学术论文15篇，被SCI、EI检索论文9篇；获国家发明专利授权3项；已培养硕士毕业研究生12人。