低阶煤液态二氧化碳煤浆的成浆特性及气化机理基础研究

The coal water slurry (CWS) made with low rank coal (LRC), the main high quality Chinese coal resource, has shown the poor slurryability and thermal efficiency of gasification process. However, by using liquid CO2 (CO2(l)) as the slurrying agent, the slurryability, carbon conversion and cold gas efficiency of LRC/CO2(l) slurry can be greatly improved and also results in a net decrease of CO2 emission. .The main purpose of the proposed program is the preliminary foundation of the theory of LRC/CO2(l) slurry gasification based on the investigation of the slurryability and gasification characteristics of LRC/CO2(l) slurry under high temperature and pressure. Therefore, a three-step program forms the main scheme of this proposal, which consists of the studies on the slurryability of high solids loading in LRC/CO2(l) slurry, the gasification mechanism in multi-phase/component system under high temperature and pressure and the simulation and optimization of LRC/CO2(l) slurry gasification system. This proposal will focus on CO2 emission and utilization during LRC/CO2(l) slurry gasification, the effect of pulverized low rank coal and its upgrading on slurryability of LRC/CO2(l) slurry and the mechanism of multi-phase gasification reaction under high temperature and pressure. The model of gasification reactive kinetics of LRC/CO2(l) slurry with high solids concentration will be established and then further used for the simulation and optimization of LRC/CO2(l) slurry gasification system with ASPEN. The successful implementation of LRC/CO2(l) slurry gasification will significantly increase the economic use of low rank coals for energy production. Results of this effort will positively impact the future clean utilization of low rank coal.

我国低阶煤储量丰富，但其水煤浆的成浆性差、气化效率低。采用液态CO2制取煤浆，可显著提高煤浆浓度和气化过程中的碳转化率，实现CO2减排，是低阶煤高效清洁利用的发展方向，但目前对高浓度液态CO2煤浆的成浆特性及气化机理等缺少深入系统的研究。本项目以揭示高浓度液态CO2煤浆成浆特性和高温高压气化反应规律、初步建立液态CO2煤浆气化理论体系为根本目标，将"高浓度液态CO2煤浆成浆特性-高温高压、多相多组分体系气化反应规律-气化系统模拟与优化"作为研究主线，针对低阶煤气化中的CO2排放与利用、高浓度浆体特性、高压高温多相气化反应机理等关键科学问题开展基础研究,掌握煤质及粉体特性、改性提质与高压液态CO2煤浆成浆特性的理论，建立高温高压体系下高浓度低阶煤液态CO2煤浆气化反应动力学模型，并进行液态CO2煤浆气化系统的模拟与优化,为低阶煤清洁高效利用提供理论支撑。

本项目采用褐煤为主要研究对象，重点进行了以下研究。.1、褐煤的理化特性、孔结构及官能团分析。采用工业元素分析、氮气吸附、傅里叶红外光谱等研究手段对热改性前后褐煤的理化特性、孔结构及官能团等进行了分析。褐煤氧、挥发分和水含量较高，200℃热改性后氧和水含量降低。其孔结构以中大孔为主，比表面积较低，并含有大量含氧官能团。.2、褐煤液态CO2煤浆的成浆机理和煤浆特性研究。采用低温高压下制备液态二氧化碳煤浆的方法对未改性褐煤的水煤浆和液态二氧化碳煤浆的成浆特性进行了对比分析，探讨了煤质等因素对成浆特性的影响。液态二氧化碳煤浆成浆浓度显著高于水煤浆。热改性后褐煤的液态CO2 煤浆最大成浆浓度明显提高。利用木质素磺酸钠作为煤浆分散剂也可提高褐煤液态CO2 煤浆最大成浆浓度。.3、褐煤二氧化碳气化反应机理研究。利用TG/DTG热分析仪对褐煤二氧化碳气化反应动力学进行了研究。褐煤CO2气化反应主要由50~240℃的脱水和吸附气体脱附、220~700℃的有机物热解和700~1100℃的煤焦气化反应三个阶段组成。反应动力学参数分析表明褐煤具有良好的二氧化碳气化反应活性。采用TG-FTIR、TG-GC研究方法分析了褐煤二氧化碳气化反应过程中要气化产物的形成规律。随温度升高，H2 、CH4、CO等依次析出主。CO的浓度显著高于H2、CH4一个数量级以上。采用小型煤气化试验系统进行了褐煤与次烟煤的水蒸汽气化和水蒸汽与二氧化碳混合气氛下的气化特性试验研究，H2、CO为气化气的主要可燃组分。.4、基于低阶煤液态CO2煤浆的气化特性的Aspen Plus模拟研究。采用Aspen Plus软件建立了多样品入口的煤气化单元模型，对低阶煤的CO2气化反应过程进行了模拟研究。在此基础上，还建立了典型IGCC气化系统的整体模型，对低阶煤二氧化碳煤浆用于IGCC气化系统的气化特性进行了模拟研究。CO2煤浆气化可提高碳转化率和气化系统热效率。.本项目对低阶煤的液态CO2 煤浆成浆特性和气化反应规律进行的研究，初步揭示了高浓度液态CO2 煤浆成浆特性和高温高压气化反应规律，为建立液态CO2 煤浆气化理论体系建立了基础,为低阶煤清洁高效利用提供了一定的理论支撑。