煤气化熔渣中铁的价态分布对其流动性的影响及机理

As the low rank coal with high iron content in ash are more and more used in coal gasificaiton, the research on influence of iron on slag fluidity turns to be important. When the coal ash is rich in iron, the molten slag might lead to erosion of inner wall of gasifier, inadequate temperature of critical viscosity and unexpected crystallization by iron. Ash composition of slag is the key for slag fluidity at high temperatures. The project focuses on the complex effect of iron in three different valences on the ash fusion behavior and viscosity-temperature characteristic. The understanding of distribution iron in the slag is the fundamental for the influences of iron distribution on ash fusion behavior and viscosity properties. The relation between valence distribution of iron and ash composition, atmosphere, residence time and temperatures are to be carefully investigated. The model for predicting iron distribution is expected to be merged into models of ash fusion behavior and viscosity properties. The guide for adjustment of ash fusion and slag viscosity for real gasification process should be raised based on this study. This research also enriches the concept of ash chemistry.

我国大量低阶煤中铁含量普遍偏高，随着低阶煤气化使用率提高，铁对气化过程中熔渣流动性的影响也显得更为重要。高铁煤在气化过程中可能发生熔渣过度冲刷炉壁或难以挂渣、熔渣临界黏度温度偏高和难以预测的熔渣结晶和堵渣等问题，而灰化学组成及其在气化条件下的相互作用是决定高温下熔渣流动性的关键因素。因此，本项目拟针对典型高铁低阶煤的气化转化过程，重点研究在气化条件下熔渣中铁价态分布规律与煤灰化学组成、气氛、停留时间、温度等的关系，以及铁价态分布对熔渣流动性的影响规律和本质，特别是确定单质铁形成和影响流动性的临界条件。在此基础上，建立预测高温煤灰熔渣中铁价态分布模型和高铁煤灰的熔融性温度和黏温特性模型，并将二者耦合，最终实现对高铁煤灰熔渣流动性的预测，并提出有效的通过配煤或添加剂来调控熔渣流动性的原则和方法。通过本项目的研究，以期对我国大量高铁含量低阶煤的气化利用提供理论指导，同时丰富和发展煤的灰化学内容。

为解决高铁煤用于熔渣式气化炉的难题，本项目针对气化条件下熔渣中铁价态分布规律与煤灰化学组成、气氛、温度、残碳含量等的关系，及其对熔渣流动性的影响规律及本质开展研究，主要结论如下：（1）根据熔渣内铁的氧化还原反应，得到了熔渣中铁价态分布的热力学模型，并通过和化学滴定结果相关联，建立了真实熔渣中的铁价态分布预测模型。（2）明确了不同组成煤灰熔渣中单质铁析出的规律及条件：金属铁的生成速率与Ca2+的扩散系数，熔渣黏度，化学计量因子、残炭含量及煤灰组成相关；动力学结果表明，随着金属铁析出量的增加，熔渣黏度增加，Ca2+的扩散系数下降，导致金属铁含量的增加逐渐减小。（3）明确了不同气氛下，煤灰中铁对熔融性和流动性的影响规律，发现惰性气氛中含铁矿物质的生成导致高硅铝高铁熔渣较高的流动温度。气氛对高温下液相渣的黏度影响较小，但是对低温下部分结晶渣的黏度影响较大；在强还原气氛中，熔渣中的金属铁作为晶种，促进了钙长石的结晶。（4）通过对修正Urbain模型中黏滞活化能和指前因子关系的修正，以及将铁价态分布模型对高温下煤灰化学组成的修正，实现了熔渣在低黏度范围的预测。（5）为抑制液态排渣过程中金属铁和含铁矿物质析出，建立了与煤灰的化学组成和气化炉气氛相关的单质铁析出模型，并针对熔融态单质铁团聚现象进行了研究，为预防单质铁析出及团聚提供指导。从煤灰组成角度提出避免单质铁析出和团聚的边界条件，被用于气流床气化炉选配煤依据，并为气化炉设计提供指导。同时，上述研究内容也丰富了灰化学的研究内容。本项目研究结果，在国内外期刊发表论文23篇，其中SCI收录19篇；申请专利3项，其中授权1项；制定国家标准1项“中国标准/煤灰黏度测定方法”。参加国内外学术会议11人次；申请人获得中国科学院青促会优秀会员、中国化工学会侯德榜化工科学技术青年奖，项目研究结果作为主要创新点之一获得上海市科技进步一等奖以及国家科技进步二等奖。