气化焦的制备工艺、结构演变和反应性的内在关联

Based on the situation of coking industry in Shanxi province, following the principle of efficiently comprehensive utilization of coal, the coking coal with poor quality will be used as feedstock for coal blending and coking. The production of coke for gasification can rationally utilize the excess capacity of coke production, which is the important measure for the promoting innovation of coking industry. The researches on the optimization of the preparation process of coke for gasification according to the inherent correlations among coking conditions, coal structure evolution and gasification reactivity present the clear goals and great theoretical and practical significance. In light of the differences of metallurgical coke and gasification coke, the probably critical problems for the production of gasification coke using the existing coking equipment must be projected. Therefore, it is put forward to reveal the mechanisms of coal characteristics and coking conditions influencing on the yields and compositions of coking products; understand the inter-relations among the physical structure, chemical structure and mineral composition of gasification coke; know well the inherent correlation among the characteristics of coal, coking conditions, coke structure and reactivity; optimize the existing process of coke production for the purpose of the maximization benefit. According to the main factors influencing the gasification reactivity determined through experimental researches, the prediction model of coke gasification reactivity is optimized. It is sure that this project will supply a strongly theoretical base for developing the production of gasification coke bases on the existing coking equipment.

针对山西焦化产业的现状，遵循煤炭高效综合利用原则，以低质炼焦煤为原料，基于制焦条件、煤结构演变和气化反应性关联的理论探讨，优化气化焦生产工艺、合理利用过剩的炼焦产能，研究工作紧密结合山西省省情，目标明确，理论和现实意义较强。从冶金焦和气化焦的差异性入手，分析探讨现有焦化工艺生产气化焦中可能存在的问题，提出具体的研究方案。依据不同配煤煤种的结构差异及不同条件下成焦结构演变的过程解析，揭示煤种特性和焦化条件对焦化产品的收率及组成的影响机制；分析煤焦“物理结构、化学结构和矿物质”间的相互作用机理，掌握“煤种特性—焦化条件—焦炭结构—气化反应性”四者间的本质关联；确定影响煤焦气化反应性的主要因素，量化指标参数，明确变量因子，以结构参数为自变量，气化反应速率为因变量，建立相对准确的反应性预测模型；以产品效益最大化为目的，对现有产能过剩的焦化工艺进行优化，为以焦化为源头的气化焦生产技术提供基础理论支撑。

基于山西焦化行业产能过剩和优质煤资源短缺现状，通过对制焦条件、煤结构演变和气化反应性的关联，进行了合理利用过剩焦化产能及低质炼焦煤资源的气化焦生产的优化工艺研究。主要是从冶金焦和气化焦的性能差异入手，依据不同配煤煤种的结构差异及不同条件下成焦结构演变的过程解析，对煤种特性和焦化条件与焦化产品的组成、结构和性质间的内在关联进行深入探讨。以26种不同特性的煤样为配煤炼焦用煤，通过高硫肥煤替代配合煤中低硫肥煤，揭示了配煤炼焦过程中煤种间相互作用对硫分变迁行为的影响机制，配合煤热解过程中的挥发份促进了含硫气体的释放，进而降低焦中硫含量；通过SPSS统计分析软件对焦中硫含量与煤中硫、挥发分及CaO和Fe2O3含量的多元线性回归，建立了焦中硫含量预测模型 。基于褐煤和烟煤的两段式固定床实验研究，得到了升温速率的降低、热解压力的增加使得焦比表面积和缺陷结构增大、石墨化程度降低，不利于焦的气化反应；基于三种低质炼焦煤为原料的炼焦终温及终温停留时间的影响，建立了气化焦的实验室制备条件及工业化制备气化焦的配煤方案，基于煤种特性、煤焦结构及煤焦反应性的内在关联，建立了气化焦反应性的预测模型 。考察配合煤中煤种间相互作用对配合煤黏结性的影响，得到了配合煤GR.I 的理论计算值大于或小于45时，热解过程中煤种间相互作用体现为对黏结指数增强或削弱的作用规律；通过考察不同配合焦的常压固定床水蒸气气化反应，揭示了煤种间相互作用对焦反应性及产品气组成的影响。制焦条件-煤种特性-配合煤热解过程硫的变迁-焦结构性质内在关联等是利用焦化行业过剩产能生产气化焦工艺中必须解决的关键问题，本项目研究取得的结果可为气化焦生产的中试及工业化提供理论指导，具有较为广泛的应用前景。项目实施过程中，已培养和在培养硕士研究生10名、博士研究生3名，申报国家发明专利3项，发表学术论文19篇（其中，SCI和EI收录12篇次）。