烟煤射流预氧化破粘及其与半焦气化的协同作用机理研究

The caking middlings from coal washing process of coking industry could be gasified by jetting pre-oxidation fluidized bed gasification which may achieve its clean and efficient conversion. Therefore, it has important theoretical significance and application value to study the key scientific problems restricting the development of the technology. The purpose of this project is to study the mechanism of caking destruction by jetting pre-oxidation and the synergy between jetting pre-oxidation of bituminous coal and char gasification. The fedding characteristics of the coal particles by jetting will be studied by cold model experiment and simulation，and then its effect on caking destruction of bituminous coal will be revealed. The properties of the product gases, tar and in-situ chars from jetting pre-oxidation tests of different conditions will be analyzed. And also the effect of alkali and alkaline metals in coal on the caking destruction of bituminous coal will be studied. The mechanism of caking destruction by jetting pre-oxidation will be revealed by the above studies. The effcet of char gasification on the jetting pre-oxidation of bituminous coal will be studied by introducing simulated gasification gas into the reactor. And the acceleration of the char gasification by decoupling gasification from pyrolysis will be analyzed. Then the synergy between jetting pre-oxidation of bituminous coal and char gasification will be revealed. This study may provide theoretical basis and technical support for expanding the gasification adaptability of the caking coal.

射流预氧化流化床气化技术能够适用于焦化洗中煤等粘结性劣质煤的气化，实现其洁净高效转化。对制约该技术发展的关键科学问题进行深入研究具有非常重要的理论意义和应用价值。本项目以揭示烟煤射流预氧化破粘机理及预氧化与半焦气化间的协同作用为研究目标。拟用冷态实验与计算机模拟相结合的方法研究颗粒物料的射流进料特性，并揭示其对烟煤射流预氧化破粘效果的影响规律；分析不同的射流预氧化反应条件下得到的气体、焦油和原位半焦的特性，研究煤中的碱金属和碱土金属元素对其预氧化破粘效果的影响，结合原料颗粒不同射流进料条件下的破粘效果，揭示射流预氧化反应破除烟煤粘结性的反应机理；通过通入模拟气化气体研究半焦气化过程对射流预氧化破粘的影响，分析射流预氧化流化床气化工艺的热解与气化解耦过程对烟煤气化的强化作用，进而揭示烟煤射流预氧化破粘与半焦气化间的协同作用。本研究可以为扩大粘结性煤的气化适应性提供理论基础和技术支持。

在我国焦化行业的洗选煤过程中，每年都会产生大量挥发分较低、灰分高、反应性较差并且具有一定粘结性的洗中煤。这些质量比较差的洗中煤一般都作为锅炉燃料廉价销售，运输成本高，经济性差。如果能利用焦化洗中煤等粘结性劣质煤进行气化，可实现其洁净高效转化。利用这种焦化洗中煤进行气化，必须解决其粘结性和气化活性低的问题。本项目研究了射流预氧化反应对粘结性烟煤的破粘效果。分析了不同的反应条件对烟煤预氧化破粘效果的影响，得到了实现烟煤预氧化破粘的条件。考察了给料气空气系数、反应温度和给料气氧气浓度对烟煤预氧化破粘效果的影响。研究了预氧化反应对粘结性烟煤官能团含量的影响。分析了粘结性烟煤预氧化过程中官能团种类和含量对其粘结性的影响。考察了NaCl、KCl、Na2CO3和 K2CO3四种碱金属盐类对粘结性烟煤的破粘作用。以K2CO3负载后的平顶山瘦煤煤焦为研究对象，在内径为20mm的固定床反应器中对其二氧化碳催化气化反应动力学进行了研究。考察了K2CO3的负载对平顶山瘦煤粘结性的影响，确定了消除气化反应内外扩散影响的实验条件。在750℃～900℃范围内，测定了平顶山瘦煤煤焦的碳转化率与时间的关系。采用均相模型和缩核模型对实验结果进行拟合，得到了焦样二氧化碳催化气化反应的反应速率常数、反应活化能和指前因子。研究了催化剂种类和用量对粘结性烟煤煤焦微观结构的影响，分析了煤焦结构与煤焦粘结性和催化气化活性的关系。研究结果发现，能够实现预氧化破粘的反应条件为反应温度>900℃，给料气过量空气系数在试验的0.1-0.3范围内均可，给料气氧气浓度与空气中相当。羟基、羧基和酚羟基等极性含氧官能团的含量对煤粘结性的影响很大，其含量越高，粘结性越强。Na2CO3和 K2CO3对粘结性烟煤的破粘效果最好，可实现其完全破粘。K2CO3对煤样的二氧化碳催化气化效果较好。利用均相模型和缩核模型均能对平顶山瘦煤煤焦的二氧化碳催化气化反应动力学起到较好的预测效果。本研究可以为扩大粘结性煤的气化适应性提供理论基础和技术支持。