矿物组分对煤热解过程的影响及其机理研究

More and more attention is paid to coal pyrolysis-gasification-combustion staged conversion technology based on solid heat carrier coal pyrolysis in order to efficiently utilize the high value components from coal and produce power, heat, chemicals and liquid fuel. Hot coal ash is usually used as solid heat carrier during coal pyrolysis, so that it is urgent to carry out mechanism research on influence of mineral of coal ash and coal on coal pyrolysis. Although some research work has been done to explore catalytic effect of inherent mineral in coal as well as inorganic matter such as metal salts and oxides on coal pyrolysis at home and abroad, it is often more about the non- mineral-phase inorganic matter in coal while rarely refers to the mineral-phase mineral in coal and coal ash, thus influence of the latter on coal pyrolysis and its mechanism is unable to be demonstrated comprehensively and systematically. This project is to conduct mechanism research on influence of mineral in coal and coal ash on coal pyrolysis (pyrolysates' composition and their yield) at different coal ranks, different pyrolysis atmosphere and different pressures, and establish coal and coal ash co-pyrolysis model under the condition of existence of a great amount of heat carrier ash, which will provide guidance for design and operation of coal pyrolysis-gasification-combustion staged conversion units.

为了高效利用煤炭资源中的高价值组分，同时获取电力、热能、化学产品和液体燃料，基于固体热载体热解的煤热解气化燃烧分级转化技术得到了越来越大的关注。在这一技术背景下，开展固体热载体煤灰矿物组分以及煤自身固有矿物组分对煤热解的影响规律及其机理方面的研究工作就显得尤为迫切。国内外对煤自身固有矿物质以及添加金属盐类、金属氧化物等无机物对煤热解过程的催化作用进行了探索，但往往局限于煤中非矿物相的矿物质对煤热解影响方面的研究，对煤中矿物相以及煤灰矿物组分对煤热解影响方面的研究甚少涉及，因此无法全面地、系统地揭示矿物组分对煤热解过程的影响规律及其机理。本项目拟开展不同煤种、不同热解气氛、不同压力条件下煤以及煤灰中矿物组分对煤热解过程（热解产物组分及其产率）的影响规律及其机理的研究，并建立在大量煤灰存在条件下煤与煤灰共热解模型，为煤热解气化燃烧分级转化装置的设计和运行提供指导。

近年来，为实现高效利用煤炭资源中的高价值组分，同时获取电力、热能、化学产品和液体燃料，基于固体热载体热解的煤热解气化燃烧分级转化技术得到了越来越大的关注。在这一技术背景下，我们开展了固体热载体煤灰矿物组分以及煤自身固有矿物组分对煤热解的影响规律及其机理方面的研究。本项目利用固定床热解实验平台和流化床热解实验平台，研究了煤中以及煤灰中不同矿物组分（如Fe2O3、CaSO4、CaO 、CaCO3、CaS、SiO2等）对煤热解过程的影响，灰分对半焦的气化反应特性的影响，在CO、CO2等热解气氛下矿物组分对煤热解过程的影响，以及不同矿物组分对煤热解过程中硫的迁移和转化的影响等方面的内容。研究揭示了矿物组分Fe2O3对煤热解的影响机理主要归因于两点：Fe2O3的催化作用以及Fe2O3与热解产物发生化学反应。研究发现不同形式的钙基矿物质对热解的影响不同。比表面积和灰分均会对热解半焦的气化机理产生影响，比表面积较大的热解半焦的实验结果更符合基于单独活性位假设的Langmuir-Hinshelwood (L-H)模型预测值，而比表面积较小的热解半焦的实验结果与基于公共活性位假设的L-H模型预测值相吻合。脱灰后的热解半焦，其实验结果与基于2种假设的L-H模型预测值均不吻合。研究还发现矿物组分在CO气氛中的水汽变换反应中发挥了重要的催化作用，在半焦的CO2气化过程中也起到了催化的作用。研究揭示了煤灰对H2S的影响由煤灰中Fe2O3的固硫作用和煤灰中CaSO4与煤气中的H2的反应这二者共同决定，煤灰在高温下对COS的促进作用与煤灰中的CaSO4有关，另外煤灰还对CH3SH的分解起到了主导作用。研究结果为煤热解气化燃烧分级转化技术的开发提供了指导。