高温条件下煤中矿物质的演化规律及其与有机质的相互作用

本项目选取我国典型气化煤种为研究对象，在准确分析矿物质组成及含量的基础上，认识矿物质在高温二氧化碳和水蒸气气化条件下的演化行为及其对煤焦气化特性的影响规律。通过对比原焦、脱灰焦及添加矿物质脱灰焦的高温气化实验，阐明高温气化过程中矿物质对有机质转化的影响和作用，并结合不同形态有机质对矿物质转化的影响规律，揭示高温下不同种类矿物质与煤焦中有机质相互作用的机理。通过测定典型煤种的粘温特性，认识气化条件下有机质形态和含量对灰渣粘度的影响，并建立适应我国煤种特点的灰粘度预测模型。本项目的研究结果将深化高温气化条件下煤中矿物质演化行为及其与有机质相互作用的认识，丰富灰化学的内容，并为我国高灰、高灰熔点煤的高效转化利用及气流床气化技术的优化提供理论基础和科学依据。

本项目已全面完成计划任务，同时还初步考察了煤与石油焦共气化过程中的矿物质变化规律，以及有机质对煤灰熔融性的影响，为后续研究奠定了基础。以项目研究成果为主要内容，于2013年出版专著《煤的灰化学》（李文，白进）。国内外期刊发表论文8篇，其中SCI收录5篇，EI收录3篇。项目组成员参加国际学术会议5人次。培养硕士生1名（转博），博士生3名。在本项目研究成果基础上，项目负责人和参与人员获得神华联合基金重点项目1项，山西省青年基金1项等项目支持。白进博士当选中科院青年创新促进会会员、山西煤炭化学研究所杰出青年、山西省青年岗位能手等。.项目的主要结论包括以下几部分：1. 利用Siroquant软件定量分析煤灰中矿物质组成，提出根据灰化学组成将煤分为四类，分别包括高钙煤、高硅铝煤、高铁煤和高硅铝比煤；确定了四类典型煤灰在高温下的演化规律。2. 通过将未反应煤焦低温灰化的方法获得“真实”的煤中矿物质反应，证实矿物质的演化规律也受到煤焦中有机质存在的影响，特别CaS的生成一定程度上抑制了Ca转化为硅铝酸盐。3. 经过实验和热力学计算证明，碳热反应不仅局限于金属氧化物和煤焦中的碳，莫来石也可以发生碳热反应；但是碳热反应只有在惰性气氛下才能进行，而在气化条件下无法进行； 4. 通过对比金属氧化物（氧化钙、氧化铁）、低温煤灰、硅铝酸盐（莫来石、钙长石、钙黄长石和硅酸钙）对气化反应的影响，发现氧化钙的催化作用大于铁氧化物，同时，金属氧化物的促进作用随温度升高而减弱；低温灰的作用与气化过程中矿物质的反应密切相关；硅酸盐中的钙可能仍具有催化作用；煤灰熔渣中的非晶态矿物质不具有催化活性。5. 煤灰的促进作用和灰熔融的抑制作用存在一个平衡点，经过和煤灰高温黏度关联，发现该平衡点的温度约为黏度20Pas对应的温度。6. 煤灰或熔渣中的有机质与矿物质发生碳热反应而生成的高熔点碳化物，是导致煤灰熔融温度升高和黏温特性变差的主要原因。7. 当高温下煤灰熔渣中的矿物质组成出现钙黄长石后，CaO的助熔作用转变为阻熔作用，建立如下关系用于预测添加CaO的熔融温度：TFT = 86.86+ 0.86Tliq。添加CaO后，黏温曲线关键参数-临界黏度温度与固相最大生成速率存在如下关系：Tcv=0.98Tmax+17.33。8．建立黏温曲线的分段模型，采用物理意义边界条件和铁价态分布模型，提高模型准确性。