我国低阶煤煤焦低温气化反应性的研究

The reserve of low-rank coal, typically of lignite and sub-bituminous coal is up to 55% in China, which makes the basic study on low-rank coal indispensable. Low-rank coal, owing to its coal rank characteristics, can be well gasified at relative low temperature, wherein the key point is the reactivity of char gasification. In this proposal, a type of low-rank coal from Eastern Junggar coalmine, China, will be used as sample to study the reactivity of char at low temperature, analysing the interaction of volatiles and char during pyrolysis and char gasification, as well as the effects of AAEM on char reactivity. The study will mainly focus on the relationship of AAEM catalysis, AAEM occurrence and migration, volatilisation and char structure, so as to discover the effects of gasification temperature, holding time, physiochemical structure on the gasification reactivity of char. A further understanding, on the basis of coal chemistry and chemical kinetics, to the char reactivity is expected to be achieved from the above study meanwhile. This study is also expected to enrich and improve the current theory on low-rank coal gasitification reactivity, providing new data evidences for the science of low-rank coal gasification, and filling the study vacuum on low-temperature gasification for sub-bituminous coal, which will further become the theoretical basis of the R&D of gasification technologies for low-rank coal or high-melting-point coal in China.

我国以褐煤和次烟煤为代表的低阶煤储量占55%以上，开展低阶煤气化的基础研究十分必要。煤阶特性决定了低阶煤可以通过低温气化提高效率，其核心是煤焦的气化反应性。 本项目以我国准东煤为代表的高灰熔点低阶煤样为对象，研究低温气化中煤焦的气化反应性，分析该典型煤质在热解、煤焦气化反应过程中气态挥发物和煤焦的相互作用规律，以及AAEM对煤焦气化反应性的影响规律，重点研究AAEM的催化作用与AAEM赋存、迁徙、挥发分析出过程和煤焦结构之间的相互关系，揭示气化温度、停留时间、煤焦物理化学结构对煤焦气化反应性的影响，以期望在煤结构化学和化学动力学的层面对煤焦的气化反应性有更加深入的认识。 通过本项目研究，有望进一步丰富和完善现有的关于低阶煤焦炭气化反应动力学的理论，为低阶燃料气化科学的发展提供新的科学数据，并填补国际上对次烟煤低温气化过程研究的空白，为未来我国低阶煤或者高灰熔点煤气化技术的研发提供理论基础。

我国以褐煤和次烟煤为代表的低阶煤储量占55%以上，开展低阶煤气化的基础研究十分必要。低阶煤可以通过低温气化提高效率，其核心是如何提高煤焦气化的反应性。本项目以准东煤为对象，分析了煤热解和煤焦气化反应过程中挥发分和煤焦的相互作用规律，AAEM对热解和气化反应性的影响规律，重点研究了煤热解气化反应性与AAEM赋存、迁徙、挥发分析出和煤焦结构之间的相互关系，揭示了煤焦热解气化分级转化过程中，影响热解-气化分级转化的主要因素，建立了描述煤及煤焦热解气化过程的化学动力学模型，形成了准东煤热解-气化分级转化技术的初步工艺方案。.研究发现：采用FTIR含氧官能团参数建立的半焦综合结构指数S可以很好地表征半焦结构和热解反应性的关系。在600 ℃以下的热解中，离子可交换态Ca和Mg的富集使半焦气化反应性随热解终温的升高而提高；而600 ℃以上的热解中，加热速率的提高降低了半焦气化反应性。将该温度作为准东煤热解-气化分级转化的分界温度，能够极大改善煤焦气化阶段的反应性。采用分布活化能模型能够很好地预测准东煤的热解反应动力学特性，而目前广泛采用的单一速率扫描法对准东煤热解反应动力学特征的预测偏差较大。煤焦-H2O 气化全周期内，Na含量和分布的影响对气化初始阶段的反应性影响最大，而Ca的含量、分散性及迁徙性对气化后期的反应性影响更为重要。Ca是影响气化反应性和气化产物成分变化的最关键因素。挥发分-煤焦相互作用对焦中AAEM组分含量以及煤焦结构都会产生影响，而这两方面都会对煤焦的气化反应性产生影响。当Na释放达到平衡后，挥发分-煤焦的相互作用会使气相AAEM重新附着于煤焦表面，从而提高煤焦的气化反应性。因此，将燃料分级，在煤焦气化阶段送入原煤，形成原煤热解和煤焦混合气化的方式有利于提高煤焦后期气化的反应性。.本研究进一步丰富了准东煤气化反应动力学理论，填补了国际上对次烟煤低温气化研究的空白，为我国低阶煤解耦气化技术、低活性煤焦燃烧技术的研发提供了理论基础。