基于碱金属失活缓解的生物质与煤共气化反应研究

The release and deactivation of alkali metal during co-gasification of biomass with coal is a key factor influences the stable operation and amplification of the industrial devices. So far, the patterns of the reaction between alkali metal and minerals in coal and the effect on the co-gasification kinetics, which caused by alkali metal migration and its specific forms, is still lack of deep and clear explanation. The researches mainly focus on the deactivation of alkali metal catalyst in catalytic gasification process, few ones take the deactivation of alkali metal during co-gasification into account, which inhibits the further development of co-gasification technology. This program aims to have a deep understanding of alkali metal capture and deactivation. The migration and existence forms of alkali metals, and their effects on the interaction between alkali metal and minerals are going to conduct at high heating rate and temperature, and under reducing atmosphere. The purpose of the above experiments is to gain the directional transformation route of alkali metals according to the rules of alkali metal capture. Based on the above experiments, the co-gasification reactivities and the mechanisms of the reaction between calcium additives with alkali metals and minerals are analyzed, and the objective is to interpret how the calcium additives relieve the deactivation of alkali metals. Afterwards, controllable utilization and transformation of alkali metals can be achieved. The research of this program can contribute to the improvement of alkali metals’ utilization efficiency and provide a reference for the high efficient use of biomass。

生物质与煤共气化过程中碱金属的挥发及失活是制约工业装置稳定运行与放大的关键因素。目前，碱金属的迁移、赋存形态对其与煤中矿物质作用机制及共气化反应动力学的影响规律，尚缺乏深入合理的解析；针对催化气化碱金属失活的研究较多，而解决共气化碱金属失活的研究较少，限制了共气化技术的进一步发展。本项目围绕碱金属迁移及失活，拟在快速热解、高温弱还原性气氛下，系统研究钙基添加剂对矿物质、碱金属的迁移及赋存形态的影响，以及对碱金属与煤中矿物质作用机制的影响；在此基础上通过评价共气化反应活性及分析钙基添加剂与碱金属及矿物质之间的反应机制，进而揭示钙基添加剂缓解碱金属失活机理；实现对碱金属的可控转化与利用。项目研究有助于提高生物质碱金属的利用效率，为生物质的高效利用提供参考。

在“双碳”背景下，如何减少化石能源的消耗以及减少CO2的排放对实现双碳目标具有重要意义。气化是实现含碳原料清洁高效转化的重要方式之一。生物质与煤共气化可以克服原料单独气化的缺点，充分利用共气化的优势，最终能够达到减少CO2的排放，提高煤气化效率的目的。然而在共气化过程中，由于生物质富含碱金属，而煤中硅铝等元素含量较高，碱金属会与煤中硅铝等元素发生反应，生成没有催化活性的硅铝酸盐矿物质，从而失去催化活性。因此，如果可以抑制生物质中AAEM的失活，保留更多的活性AAEM，将会进一步提升共气化反应的效率。本项目首先研究了共热解过程中碱金属的迁移及转化规律，研究结果表明生物质的加入，使共热解焦中具有催化活性的水溶性K含量升高。生物质与煤共气化过程中均表现出了协同作用，但气化过程中均出现了碱金属K的失活，因此通过添加添加剂抑制碱金属K与煤中矿物质的反应，保留其催化活性，可以进一步提高共气化反应速率。通过添加钙基添加剂，提高了共热解焦中水溶性K的含量，使共热解焦的碳结构石墨化程度减弱，无序化程度增强，从而提高了共热解焦的气化反应性。研究结果表明，机械混合法添加Ca(Ac)2可产生最优的促进效果。气化反应动力学的研究表明，生物质的加入降低了气化反应的活化能，S-MRPM模型适合小麦秸秆焦、晋城煤焦以及共热解焦的动力学分析，而RPM模型较为适合7.5-Ca(Ac)2-JWC的动力学分析。共气化灰熔融特性的研究表明混合灰灰熔点的变化范围落在两种灰的灰熔融特征温度范围之内，但其变化与混合比例不成线性关系，与混合灰形成过程中矿物质的形成与形态变迁密切相关。采用神经网络模型可以较好地对生物质灰、煤灰及混合灰的灰熔点进行预测，模拟结果显示拟合的R2均高于0.93，均方根误差均小于35℃，表明采用神经网络模型对灰熔点进行预测可达到较好的效果。