AAEMs在煤焦与H2O/CO2气化过程中的迁移规律及其对气化反应性的影响

摘要

发展煤制天然气(SNG)项目不仅能缓解我国天然气的供需矛盾，推进能源结构的优化，对国家能源安全具有重要的战略意义，而且能促进节能减排，符合我国对煤化工的清洁高效利用的要求。碎煤加压干法排灰气化技术由于其技术路线成熟、粗煤气中甲烷含量高等优势，成为了我国煤制天然气中应用最为广泛、最具竞争力的技术。为了解决其含酚废水的排放量大的问题，提出了 CO2作为气化剂返炉替代部分水蒸气的方案，所以研究多元气化剂存在下的气化反应具有重要意义。在课题组前期研究中，发现了富含碱金属和碱土金属(AAEMs)的伊宁煤和五彩湾煤与 H2O/CO2共气化过程中会出现协同效应，而协同效应的产生与煤中AAEMs类矿物质密切相关。为了探究协同效应机理，有必要对煤焦在H2O/CO2气氛下气化AAEMs的迁移规律进行研究，并通过其迁移规律揭示AAEMs对煤焦气化反应催化作用的影响。
　　本研究选取富含AAEMs的五彩湾煤为研究对象，通过逐级提取法考察了五彩湾煤焦中AAEMs的存在形式，为了探究五彩湾煤焦在不同气氛下气化过程中 AAEMs的释放行为，于800 ℃和900 ℃条件 H2O、CO2和H2O/CO2气氛下制备了一系列不同碳转化率的气化残焦，研究了CO2、H2O和 H2O/CO2气氛下气化过程中 AAEMs含量的变化趋势，并通过扫描电镜观察了含AAEMs矿物质的赋存形态。结合逐级脱矿物质的煤焦的气化反应性，将AAEMs的迁移规律与其在气化过程中的催化作用进行了关联。主要结论如下：
　　（1）五彩湾煤焦中的大部分Na和K是以水溶态形式存在，Ca主要以可交换离子态形式存在。气氛的改变对Na和K在气化过程中的释放趋势无明显影响，CO2气氛下 Ca的释放量较 H2O气氛下高。此外，温度是影响AAEMs在煤焦气化过程中释放量的重要因素，AAEMs在900 ℃的释放量要明显较800 ℃时高。
　　（2）通过对比气化残焦以与原煤焦的反应性发现，五彩湾煤焦在800 ℃等温气化过程中，其反应性逐渐提高。不同气氛下气化残焦反应性的顺序如下：H2O气化残焦>H2O/CO2气化残焦>CO2气化残焦。
　　（3）通过比较逐级脱矿物质焦样的反应性，发现对于富含AAEMs的五彩湾煤，AAEMs的催化作用是影响其气化反应性的主要因素。随着气化反应的进行，水溶态的Na、K的浓度有所提高，并在气化反应中表现出不断增强的催化活性，使得气化过程中五彩湾煤焦的芳香缩合程度虽然在提高，但反应性仍然增加。
　　（4）不同气氛下气化残焦反应性的差别并不是由于孔结构和化学结构引起的，而是由于Ca的在不同气氛下迁移行为不同，从而导致了Ca催化活性的差异。Ca在CO2气氛下的释放量较多并且容易烧结，使Ca在H2O气氛下表现出较CO2气氛更高的催化能力。

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符号说明

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 煤气化的基本反应

1.3 影响煤焦气化反应性的主要因素

1.4 AAEMs在煤中的存在形式

1.5 AAEMs的检测手段

1.6 AAEMs在煤热解中的迁移

1.7 AAEMs对煤气化的催化作用

1.8 课题选择及研究内容

第二章 实验部分

2.1 实验过程

2.2 逐级提取法提取AAEMs

2.3 表征方法

2.4 数据处理

第三章 煤焦与H2O/CO2气化过程中AAEMs的迁移

3.1 五彩湾煤焦中AAEMs的存在形式

3.2 AAEMs在气化过程中的释放

3.3 AAEMs的赋存形态

3.4 本章小结

第四章 AAEMs的迁移对其催化行为的影响

4.1 CO2、H2O和H2O/CO2气氛气化残焦的反应性

4.2 煤焦孔隙结构对气化反应性的影响

4.3 煤焦的化学结构对气化反应性的影响

4.4 AAEMs的浓度和分散性对气化反应性的影响

4.5 本章小结

第五章 结论及建议

5.1 主要结论

5.2 建议

参考文献

致谢

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