冶金渣余热回收及碳资源协同转化制取合成气的研究

The method of coal/CO2/H2O gasification using molten blast furnace slag as heat carrier realize the sensible heat recovery of molten slag and the carbon dioxide reutilization. The coal/CO2/H2O gasification in the presence of molten slag or slag granule was studied kinetically by the isothermal thermo-gravimetry, and the kinetic parameters were calculated. Through that, we can get the effect of different factors (such as temperature, flow rate of gasification agent, heating rate and so on) on gasification reaction kinetics characteristics, and build the kinetics model of coal gasification in the presence of molten slag or slag granule. According to study the effect of coal particle size, resident time, the types of gasification agent, the composition of gasification agent and other factors on carbon conversion, the heating value of syngas, and gasification reaction rate, we can get the influences of Operating parameters on coal gasification. Besides, we can get the control strategy of fluidity of molten slag and ash; propose the process route and technical parameters of coal/CO2/H2O gasification using molten slag or slag granule as heating carrier, indicate the performance of gasifer which was used in this method through study the change of molten slag temperature with operation parameters. Through the research, we can get complicated coupling process theoretical system and regulation rule in the process of complex hydrocarbon resources transform into synthesis gas, establish new transition process of carbon dioxide on controlled synthesis gas composition, and new model of carbon resources circulate use. The research results will promote the development of energy conservation and emission reduction in metallurgical industry and the level of molten metallurgical slag utilization.

采用熔态高炉渣与煤/CO2/H2O气化制取煤气的方法回收高炉渣的高温显热，实现了CO2的再能源化。研究煤在熔渣/渣粒中的高温反应动力学特性，获得煤高温气化的反应动力学参数，探明各因素对气化反应动力学特性的影响，建立熔渣/渣粒煤气化反应动力学模型；研究煤粉粒度、停留时间、气化剂种类及其组分、原料供入方式及强度等对炭转化率、煤气产率、煤气热值等的影响，得到操作参数对煤气化过程的影响规律；研究溶渣温度随操作参数的变化规律，确定控制溶态灰渣流动性的策略，提出实现煤熔融气化/渣粒气化的工艺路线和技术参数；建立煤熔融气化/渣粒气化数学模型及灰渣粘度预报模型，预示气化炉的性能。获得熔渣余热与碳氢资源协同转化制备合成气的过程耦合理论体系和调控规律，建立目标气体组份可控与CO2资源低能耗转化利用的新模式。研究成果将对冶金工业的节能减排、冶金渣综合利用水平的提高产生推动作用。

根据我国能源结构的特点，本课题利用高温熔渣(温度高于1300℃)进行煤和CO2/H2O熔融气化制取合成气，将粒化后的渣粒作为煤和CO2/H2O二次气化的热载体(渣粒温度介于800~1200℃之间)，最后利用余热锅炉回收800℃以下高炉渣粒的余热。该方法做到了“能级对口、梯级利用”，实现了高炉渣显热的高效回收、CO2的再能源化，省去了传统煤气化技术对灰渣的处理，降低了钢铁生产的能源消耗。本课题开展了煤/CO2/H2O直接气化反应制取合成气制备合成气体的热力性分析与理论计算；研究了煤气化转化过程耦合的原料选择、路径组合对产品气组份变化及过程能效的影响规律，分析N2等惰性气体不同组成浓度下的耦合过程热力学效率；研究了熔渣直接作用下，煤气化过程反应机理与关键控制因素，揭示了气化剂配比、煤种、煤粉粒径、反应温度等因素对气化转化过程效率与合成气组成的影响规律；研究了高温熔渣气化过程中炭粒在熔渣反应界面的传质、传热机理，揭示气化的不同阶段气-液-固三相流温度场、浓度场的变化规律；研究了煤/CO2/H2O互配调控新方法，通过热、质耦合过程设计最佳的原料气互配方案；研究了CO/CO2/H2/H2O/O2复杂气体组份与温度条件下，气化反应过程的耦合机制；研究了煤/CO2/H2O气化反应过程内/外热场的协同作用规律与宏观反应动力学。通过以上研究，获得冶金烟气碳氢资源协同转化制备合成气的过程耦合理论体系和调控规律，建立目标气体组份可控与CO2资源低能耗回收利用的冶金烟气CO2气化转化耦合新过程与碳资源循环利用新模式，实现冶金渣余热梯级利用与碳资源转化利用高效协同；确定了实验室规模利用熔渣进行煤气化系统的结构参数和操作条件，掌握煤粉粒度、停留时间、气化剂种类及其组份、煤粉、气化剂加入方式、加入量以及加入强度等对碳转化率、煤气产率、煤气热值等的影响规律，确定适宜的煤气化操作参数和结构参数，为工业应用提供了理论基础和数据支持。建立了不同煤种、不同气化剂种类及其组份条件下，煤粉、气化剂加入方式、加入量及加入强度与熔渣温度之间的关系式，预报熔渣的流动特性，建立熔渣粘度预报模型，并通过控制气化强度，加入降粘添加剂等措施来控制熔渣粘度，从而确保了高炉渣热载体煤气化反应过程中较高的化学反应速率和高炉渣余热余能的回收效率，同时降低了反应物在熔渣中的损失，提高了反应物的利用率。