煤中矿物质对煤焦与H2O/CO2共气化反应特性的影响

摘要

CO2返炉替代部分水蒸气用于碎煤加压干法排灰气化，是解决该气化工艺含酚废水排放问题的有效途径。同时，CO2返炉也可在一定程度上缓解碳排放压力。目前，关于煤焦与H2O/CO2共气化反应特性的研究还无法为工业试验以及工业生产提供有效的理论和数据支撑。因此，针对煤焦与H2O/CO2共气化反应特性的研究具有十分重要的理论和现实意义。
　　本研究选取已用于碎煤加压干法排灰气化炉的伊宁煤作为研究对象，利用多气氛综合热分析仪对煤焦与H2O/CO2共气化的反应特性进行了考察，研究发现共气化反应过程中协同效应的出现与煤中矿物质的催化作用密切相关。对煤进行低温灰化和灰分的XRD表征，进一步确认煤中矿物质的种类。通过关联逐级脱矿物质煤焦的H2O/CO2共气化反应性与其中所含矿物质的关系，深入分析了伊宁煤中方解石在共气化反应过程中的催化机理，并利用L-H动力学模型考察了原煤焦及脱矿物质煤焦的共气化反应动力学。所得的主要结论如下:
　　(1)煤焦与H2O/CO2共气化的反应性总体上随着反应温度的升高而增加。但在气化剂配比为H2O66.6％+CO233.3％时，800℃时的共气化反应性较850℃的高。而且，煤焦与不同H2O/CO2配比气化剂的共气化反应性均高于与H2O或与CO2单一气化剂的反应性。以上结果表明，煤焦与H2O/CO2共气化反应过程中存在协同效应。
　　(2)经对比分析认为，煤中矿物质的催化作用是导致煤焦与H2O/CO2共气化反应出现协同效应的根本原因。为了明晰煤中矿物质的固有形态，利用低温灰化法对煤中有机质进行脱除，获得了矿物质未发生转变的低温灰样。经XRD测试分析，结果表明，伊宁煤中矿物质主要包括石英、高岭石、六方钾霞石、方解石、菱铁矿和黄铁矿。
　　(3)比较分析逐级脱矿物质煤焦的共气化反应性与所含矿物质种类的关系，确定煤中方解石的催化作用是煤焦与H2O/CO2共气化反应产生协同效应的根本原因。方解石高温分解生成的CaO可以同时吸附H2O和CO2到煤焦表面使之与碳发生气化反应，从而使得共气化反应速率远高于单一气化剂下的反应速率，产生协同效应。
　　(4) L-H模型对伊宁煤焦、脱除矿物质伊宁煤焦与H2O/CO2共气化反应动力学考察结果显示，伊宁煤焦的共气化反应速率实验值大于单独活性位和竞争活性位2种模型的计算值，与伊宁煤焦在共气化反应过程中表现出的协同效应相吻合。去除矿物质的催化作用后，脱除矿物质伊宁煤焦的共气化反应遵循竞争活性位模型。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 煤气化方法与煤种选择

1．3 碎煤加压干法排灰煤气化技术

1．4 煤气化理论及研究现状

1．4．1 煤气化的定义及基本反应

1．4．2 煤焦与H2O或CO2单独反应的研究现状

1．4．3 煤焦与H2O／CO2共气化反应研究现状

1．5 煤焦与H2O或CO2气化反应速率的影响因素

1．5．1 温度的影响

1．5．2 压力的影响

1．5．3 煤变质程度的影响

1．5．4 物理结构的影响

1．5．5 煤显微组分的影响

1．5．6 矿物质的影响

1．6 煤焦气化反应动力学模型

1．6．1 均相反应模型

1．6．2 未反应收缩核模型

1．6．3 混合模型

1．6．4 随机孔模型

1．6．5 L-H模型

1．7 本文研究目的和研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验用煤与化学试剂

2．1．1 实验用煤

2．1．2 化学试剂

2．2 实验装置及仪器

2．2．1 热重分析仪

2．2．2 实验仪器

2．3 实验内容

2．3．1 煤焦的气化反应

2．3．2 煤的等离子体低温灰化

2．3．3 逐级脱除矿物质煤样的制备

2．3．4 负载矿物质煤样的制备

2．4 样品表征

2．4．1 FT-IR测试

2．4．2 XRD测试

2．4．3 BET测试

2．4．4 AAS测试

第三章 煤焦与H2O／CO2共气化反应性分析

3．1 内外扩散的消除

3．1．1 内扩散的消除

3．1．2 外扩散的消除

3．2 温度对伊宁煤焦气化反应性的影响

3．2．1 气化反应实验温度的选定

3．2．2 温度对单一气化剂下煤焦气化反应性的影响

3．2．3 温度对H2O／CO2共气化剂下煤焦气化反应性的影响

3．3 共气化剂配比对伊宁煤焦气化反应性的影响

3．4 煤焦与H2O／CO2共气化反应中的协同效应

3．5 本章小结

第四章 煤中矿物质对共气化反应性的影响

4．1 煤中矿物质的形态分析

4．2 逐级脱除矿物质煤的性质分析

4．2．1 逐级脱除矿物质对煤热解过程的影响

4．2．2 逐级脱除矿物质对煤焦孔结构的影响

4．2．3 逐级脱除矿物质对煤中金属含量的影响

4．3 逐级脱除矿物质煤焦共气化反应性比较

4．4 煤焦与H2O／CO2共气化反应协同效应的形成机理

4．5 煤中矿物质对共气化反应动力学特性的影响

4．6 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

硕士期间发表的学术论文及所获奖励