气流床气化过程中细颗粒物形成机理及残碳气化反应特性的研究

随着煤化工产业的发展，煤的处理量逐年增加，煤的利用率一直倍受关注。气流床气化技术是煤的高效清洁利用的关键技术，煤气化后产生的粗渣、细渣中均含有一定的残碳量，即使是目前最先进气流床煤气化技术，其气化后产生的细渣中的残碳含量也常高于20%。因此，了解气化过程中颗粒物的形成机理，以及渣中残碳的形成机理和气化反应特性对提高碳转化率具有重要意义。本项目主要通过分析工业气化炉产生的渣、灰等颗粒物的理化特性，找出影响残碳转化率的因素，通过添加含Na、K等碱性金属的化合物加强对颗粒中残碳气化反应的催化作用，并依托实验室小型多喷嘴对置式气化炉进行验证；在不同操作条件下，对气化过程中产生的颗粒物等进行取样分析，探讨细颗粒物的形成机理，对颗粒中残碳的分布进行研究；同时，研究渣中组成等因素对残碳气化反应特性的影响，为气流床气化炉工业化操作的优化提供理论依。

本课题以气流床气化炉颗粒物及残碳为研究对象，基于实验室规模的多喷嘴对置式水煤浆气化炉，对炉内不同位置的颗粒物进行取样分析，利用Malvern激光粒度仪、SEM-EDS、XRD等仪器对颗粒物和熔渣的物理化学性质进行详细表征，并分析了气化炉内颗粒物形成机理及熔渣的流动性。结合工业气化炉产生的粗渣和细渣颗粒物，研究了煤气化时生成的粗、细渣中残碳的气化反应活性。. 研究结果表明：(1) 气化炉不同位置飞灰颗粒物的微观形态、粒径分布及化学组成存在显著差异，不同气化阶段飞灰的形成机理也不同。气化燃烧阶段飞灰的形成机理为部分固定碳燃烧和外在矿物转化，而在焦炭气化反应阶段，飞灰的形成机理为焦炭破碎和内在矿物释放及转化；沿气化炉轴向向下，颗粒物的固定碳含量和平均粒径逐渐减小。从撞击火焰区到管流区运动过程中焦炭的破碎程度高于管流区，撞击火焰区与管流区所消耗的固定碳量之比约为2:1。(2) 在喷嘴平面处，内在矿物未释放，焦炭颗粒粘性很低，其粘温曲线介于外在矿物和总体灰分的粘温曲线之间。在气化炉拱顶附近，碳转化率升高，焦炭的粘性增加，壁面捕捉焦炭颗粒的量增多，其主要成分仍是外在矿物，其粘度也主要由外在矿物的组成确定。(3) Na和K对煤焦的气化具有明显催化作用，在热解阶段，碱金属的存在导致更加无序的碳微晶结构的形成，生成煤焦的气化反应活性更好。粗渣含有的具有催化作用的金属元素Al、Ca、Fe和Mg较细渣丰富，碳的石墨化程度较细渣低是粗渣残碳的气化反应活性高于细渣的主要原因。(4) 与常温氧气气化相比，所开发的适合于水煤浆气化点火工艺的热氧喷嘴，其火焰形态更加稳定。在距喷嘴相等的距离处，热氧气化产生的颗粒物粒径和固定碳含量均小于常温氧气；随着与喷嘴距离的增大，常温氧气气化与热氧气化颗粒物在固定碳含量和粒径上的差异逐渐减小。