煤加压催化气化反应机理以及矿物质演化规律的研究

The catalysis of carbon gasification by alkali salts has been studied extensively. However, most of the fundamental studies to date have addressed the mechanism of CO formation while the pathway of the CH4 formed during the catalyzed H2O-carbon reaction has received little attention. Moreover, bed agglomeration during gasification and combustion of coal has been reported frequently, the responsible chemical mechanisms are far from being carefully elucidated. The object of this project is to illustrate the nature and stability of active sites during alkali metal carbonate-catalyzed gasification reactions of coal char. The influence of carbon conversion on the CH4 production rate will be compared with its effect on the CO production rate to determine if there is any relationship between the sites for the two reactions. Furthermore, the bed agglomeration process during catalytic coal gasification and mineral transformation characteristics will be clarified.

煤加压催化气化是一条具有潜力的由煤制合成天然气的技术途径，已有的工作侧重研究常压条件下C与H2O的反应，涉及催化剂性能、反应动力学、机理和活性位结构等，而对高温高压下催化剂对煤中化学键断裂的作用机理，煤加压催化气化过程中甲烷生成机理，加压、高温条件下催化剂与煤中矿物质形成低温共熔物的反应机理方面缺乏深入研究。本项目研究加压催化气化过程中，催化剂对煤中共价键和桥键断裂的作用机理；随气化反应进行，催化剂的形态变化规律，活性中心的分布规律，以及甲烷生成速率的变化规律，阐明甲烷生成机理；联立独立反应动力学方程以及物料衡算方程，建立主要气体产物生成的动力学方程，预测不同条件下的反应结果；研究煤中矿物组成、晶体矿物组成与最低烧结温度的关系，催化剂与矿物质的相互作用机理以及催化剂作用下煤中矿物质的演化规律。

我国能源以煤炭为主，国内天然气消费需求急剧攀升，天然气供需缺口不断加大，煤的加压催化气化是一条非常具有潜力的由煤制合成天然气的技术途径。项目在催化剂对煤中化学键断裂的作用机理，煤加压催化气化过程中甲烷生成机理，加压、高温条件下流化床中煤灰颗粒的团聚，以及催化剂与煤中矿物质形成低温共熔物的反应方面开展研究。从热解、气化过程中催化剂的变迁以及煤焦结构的变化两个方面进行研究，结合催化剂作用下热解产物的析出特征，发现在热解过程中，催化剂钾攻击煤中的含氧弱键（如醚键和呋喃环）及桥键，提高了半焦的气化反应性，同时形成C-O-K气化活性中心。在水蒸气气化过程中，钾能够催化水的解离，不断生成新的C-O-K气化活性中心。分析了气化残渣中矿物晶体组成，借助SEM-EDX研究矿物质的演化行为及结渣机理，研究气氛、催化剂添加量、压力对煤灰烧结温度的影响，建立了包含灰分、灰化学组成和压力的结渣经验预测模型，对于煤种的选择、配煤方案、催化剂最大负载量以及反应条件的确定提供了理论指导。建立了搅拌测量煤灰颗粒表面粘度的方法，根据搅拌轴扭矩确定一定搅拌转速下的颗粒间的作用力，描述煤灰的烧结动态过程，对于加压气化炉之外的其他加压流化床反应器中颗粒团聚行为的研究有借鉴意义。