助熔剂在煤气化过程中的作用及其机理

【摘要】：随着国内一次能源供应的日益紧张,高灰熔融性温度(灰熔点)大于1500℃的劣质煤高效利用备受关注。目前,煤气化技术向着高温高压发展,液态排渣气化技术逐渐占据主导地位。气流床气化技术对煤种适应性强,拓宽了煤种的利用范围,特别是可以气化含灰量较高的煤种。但是为满足液态排渣气化技术对灰熔点的要求,一些具有高灰熔点温度的煤,必须先有效地降低其灰熔点。我国高灰点煤炭资源储量较大,其中灰熔点大于1500℃的煤占煤炭总资源的50%,若该资源能合理高效利用不仅能提高煤炭利用率,还能缓解我国能源紧张的局面。 为解决上述需求,本研究以煤灰中主要氧化物为研究对象,通过CaO-Al2O3-SiO2三相图分析,模拟煤灰(不同硅铝比值混合物)实验等化学方法,得出助熔剂降低煤灰熔点的作用机理,联合XRD和TG-DSC表征手段得到和化学方法一致的规律。依据这一机理,添加相同助熔剂降低实际煤灰熔点和模拟煤灰熔点获得相同的规律,即降低煤灰熔融性温度的一般规律是通过调节煤灰中主要氧化物含量变化,促使体系形成三元或多元的低共熔点矿物。在降低煤灰熔点实验中,.也获得了两种使煤的灰熔点达到理想温度的高效助熔剂。为了考察加入助熔剂后煤的气化反应特性,利用耐弛同步热分析仪研究了两种高效助熔剂对煤焦气化反应性及煤气组成的影响规律。得到以下主要结论： 1)XRD和TG-DSC联合表征探明,煤灰受热温度高于1.000℃时,偏高岭石等矿物质分解转化成石英和莫来石等高熔点矿物质是造成原煤灰熔点过高的主要原因。通过添加助熔剂与煤灰中矿物质反应生成三元或四元的低共熔体能有效降低煤的灰熔点。 2)灰中硅铝比值在2.33时,通过添加助熔剂调节酸碱比值到0.82-1.50之间或添加生物质调节煤灰中的硅铝比值到2.15-2.60之间,煤灰熔融性温度均可降低至1350℃以下,完全达到液态排渣气化技术对灰熔点的要求。 3)在煤灰和模拟煤灰中添加不同助熔剂降低煤灰熔点的规律一致,即在灰中添加碱性氧化物Na2O、CaO和Fe2O3任一单一助熔剂均能降低煤灰熔点,且助熔效果为Na2OCaOFe2O3.另外不同比例的CaO和Fe2O3复合助熔剂也可以有效降低煤灰熔融性温度,CaO和Fe2O3之间存在协同效应,且最佳的复合比为3:1(质量比)。 4)在相同气化温度下,具有较高变质程度的东山煤的气化反应活性显著高于中等变质程度的西山煤,钠基和复合助熔剂都对二者的煤气化反应起到催化作用,但钠基助熔剂的催化能力强于复合助熔剂。添加助熔剂后两个煤的气化反应活性大小与原煤的顺序一致,但是由于助熔剂的作用缩小了二种煤气化反应活性间的差异。 5)东山和西山原煤及添加助熔剂后煤样的水蒸气气化研究发现,不同样品煤气中H2/CO比均随气化温度的升高呈现下降的趋势。适合高温气化的复合助熔剂和低温气化的钠基助熔剂,均在不同程度上提高了煤气中H2/CO的比值,特别是钠基助熔剂的引入使煤气中H2/CO的比值随温度变化更明显,可以满足不同化学品生成目的对合成气的需求。 【关键词】：助熔剂 煤气化 灰熔融性温度(灰熔点) 反应活性 煤气组成
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TQ546
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 选题背景及意义10-12
• 1.1 选题背景10-11
• 1.2 选题目的及意义11-12
• 第二章 文献综述12-24
• 2.1 煤气化技术12-16
• 2.1.1 煤气化的定义及分类12-13
• 2.1.2 煤气化的基本原理及其过程13-14
• 2.1.3 煤质对气化的影响14-16
• 2.2 降低煤灰熔点的研究现状16-19
• 2.2.1 化学组成对降低煤灰熔点的影响17-18
• 2.2.2 气氛对降低煤灰熔点的影响18-19
• 2.2.3 压力对降低煤灰熔点的影响19
• 2.3 助熔剂对煤气化反应性的影响19-21
• 2.4 助熔剂对煤气组成的影响21-22
• 2.5 课题研究内容22-24
• 第三章 实验部分24-32
• 3.1 实验仪器及试剂24
• 3.2 实验样品制备及分析24-25
• 3.3 降低煤灰熔点实验25-27
• 3.3.1 实验方法25-26
• 3.3.2 灰熔点实验仪器26
• 3.3.3 实验过程26-27
• 3.3.4 实验数据处理方法27
• 3.4 助熔剂对煤气化反应性的影响27-29
• 3.4.1 实验仪器27-28
• 3.4.2 实验条件28
• 3.4.3 实验过程28-29
• 3.4.4 实验数据处理方法29
• 3.5 助熔剂对煤气组成的影响29-32
• 3.5.1 实验仪器29-30
• 3.5.2 实验条件30
• 3.5.3 实验数据处理方法30-32
• 第四章 降低高灰熔融性温度煤灰熔点的研究32-58
• 4.1 实验方案32-33
• 4.2 实验结果与讨论33-55
• 4.2.1 依据三相图降低煤灰熔点的研究33-39
• 4.2.2 降低模拟煤灰熔点的研究39-43
• 4.2.3 助熔行为的表征43-51
• 4.2.4 满足液态排渣气化技术温度需求的煤灰特性51-52
• 4.2.5 碱金属助熔剂在降低煤灰熔点中的应用52-55
• 4.3 小结55-58
• 第五章 助熔剂对煤气化反应活性的影响58-66
• 5.1 实验方案58
• 5.2 实验装置58-59
• 5.3 实验结果与讨论59-64
• 5.3.1 助熔剂对煤气化反应性的影响59-62
• 5.3.2 其它因素对添加助熔剂煤气化反应活性的影响62-64
• 5.4 小结64-66
• 第六章 助熔剂对煤气组成的影响66-74
• 6.1 实验方案66
• 6.2 实验装置66-67
• 6.3 实验结果与讨论67-73
• 6.3.1 原煤水蒸气气化68-70
• 6.3.2 复合助熔剂对煤气组成的影响70-71
• 6.3.3 钠基助熔剂对煤气组成的影响71-73
• 6.4 小结73-74
• 第七章 结论和建议74-76
• 7.1 结论74-75
• 7.2 建议75-76
• 参考文献76-82
• 致谢82-84
• 论文发表情况84

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