煤快速热解过程中颗粒破碎机理及其对气化过程的影响研究

Gasification process is a very important technology of high-efficiency and clean utilization for coal. Jet-entrained bed gasification represents the trend of development of coal gasification technology.Development of the related kinetic models of coal pyrolysis and char gasification is the very foundation of a comprehensive model applied to scale-up, optimization and dynamic simulation of a coal gasification process. This project aims at the detailed research on the fragmentation phenomenon of different coals during rapid pyrolysis. The drop-tube furnace with variable heating length and pyrolysis duration will be combined with the Laser particle size analyzer, In-situ Raman spectrometer and TG-DSC. The interest is focused on the effect of thermal condition on the particle morphology and size distribution and the mechanism of particle fragmentation. Based on experimental data, the fragmenting model will be established to predict the variation of pore structure, specific surface area, surface characteristics and carbon structures of the pyrolyzed char. The researches on the char reactivity will also be conducted to analyze the influence of fragmentation on the gasification efficiency. By the comparison of the different char, a kinetic model dealt with pyrolysis and gasification will be developed to characterize the entrained flow gasifier, and this model will be employed to help the simulation and optimization of an industrial gasifer.

煤气化技术是煤炭高效清洁利用的核心技术，气流床是煤炭气化技术发展的主要方向。建立能够准确描述煤颗粒热解和气化的动力学模型，是开发应用于工程放大、过程优化、动态模拟的气流床煤气化综合模型的重要基础性工作。本项目将可变升温区-可变时间的滴管炉、激光衍射粒度仪、拉曼原位分析、差热-热重同步分析仪相结合，对不同煤种快速热解过程中的破碎过程进行研究，探究工艺条件对颗粒破碎形态、粒度分布的影响，分析颗粒破碎机理，建立颗粒破碎模型，揭示颗粒破碎后煤焦的孔隙结构、比表面积、表面特征、碳结构等变化规律；通过对颗粒破碎后煤焦气化特性的研究，揭示煤颗粒破碎过程程对煤焦气化活性的影响规律，并对不同煤种快速热解煤焦进行比较，建立能够准确描述工业气流床气化炉内煤热解及煤焦气化过程的动力学模，并应用于气流床气化过程模拟与优化。

本项目在高频炉快速热解实验装置上进行了神府烟煤颗粒快速热解实验，重点研究了N2和CO2两种气氛对热解煤焦及热解碳黑生成的影响；考察了煤焦和碳黑的理化性质和热解气体组成，分析了热解过程中颗粒破碎机理，建立了颗粒内部压力分布模型；研究了热解碳黑颗粒的气化/氧化过程，分析了碳黑气化/氧化反应模式。研究结果表明：.(1) 在N2和CO2两种气氛下，随着热解温度的升高和停留时间的增加，煤焦的失重率、碳黑产率和热解气体产率都逐渐增加。在1073 K时CO2气氛不利于热解挥发分释放，但在高温(1273和1473 K)下促进有机官能团分解和小分子热解气体释放。相比于N2热解气氛，CO2气氛促进了煤焦中氢、硫元素释放，抑制了氮元素的迁移，促进了热解气体中CO生成，不利于H2和CH4的产生。热解过程中煤焦中脂肪族化合物比芳香族化合物优先消耗。CO2热解气氛增强了煤焦中甲基的分解和环化，有益于脂肪氢结构的分解和芳香环结构的聚合，促进了含氢自由基的生成。与N2气氛相比，CO2热解气氛提高了碳黑的产量、结构的有序化程度和C/H原子比。.(2)快速热解过程中，颗粒的中心压力最高，内外压力差为初次破碎的主要推动力。脱挥发分产生的压差越大，破碎速率越高。压差与颗粒的破碎速率呈线性关系。破碎的推动力存在临界值，低于临界压差时，颗粒的破碎不明显。煤的临界压差随其碳和灰总量的升高而增加。破碎阻力与颗粒性质有关，煤的对抗应力冲量随其碳和灰总量的升高而增加。.(3)原有碳黑颗粒孔隙较少，碳黑颗粒在气化过程中会新产生大量的孔隙结构，气化反应同时发生在颗粒内部和颗粒表面。神府煤热解碳黑(SF-soot)在1273 K的气化属于缩核模型(SCM)和均相模型(HRM)的混合模式，SF-soot在1473 K的气化属于同心球结构消耗模型(CSM)。SF-soot在1273 K时的氧化过程中内核结构优先消耗，在1473 K的氧化属于同心球结构消耗模型(CSM)。碳黑气化过程中大部分碳微晶向无序化结构转变，SF-soot的碳微晶结构在气化过程中优先沿微晶片层边缘消耗。