煤催化气化过程中矿物质变迁规律及结渣机理研究

摘要

本文结合催化气化技术自身特点，系统研究了煤灰在催化剂影响下的结渣过程，考察了催化气化工艺过程中煤中矿物质变迁规律及结渣机理。 通过采用压降法对各煤灰进行初始烧结温度测试，研究不同灰化温度、反应气氛、压力、煤种、催化剂种类及添加量、不同预处理方式等对煤灰熔融特性的影响，结合X射线衍射、扫描电镜‐X光能量色散谱及Factsage热力学软件计算结果表征分析煤灰的相关物理和化学变化，并基于此更好的预测灰中矿物质间的反应、矿物的转变和熔渣的形成，推测结渣机理；最后，将小试系统研究结论与中试加压流化床气化炉实际运行相结合，通过控制适宜的工艺条件、不同煤种匹配技术及添加阻熔剂等，实现了催化气化装置长周期、安全、稳定运行。 不同灰化温度影响了煤灰中矿物质间的转化、反应及添加的 K催化剂的挥发量，选择550℃灰来考察煤灰的烧结特性。钾催化剂的添加急剧降低了煤灰的烧结温度，且随添加量变化存在最低值；同样，随氧化钙添加量增加烧结温度变化趋势类似，CaO添加量对煤灰烧结温度的影响受催化剂添加量、反应工况气氛及煤种性质影响；添加的 K、Ca催化剂因部分转化为无催化活性的钾霞石、钙长石等，烧结过程中进入低温共熔物中，导致气化过程中催化活性下降，催化剂回收难度增加。在0.1～3.5 MPa测试范围内，烧结温度随反应压力增大而降低，而且高压下压力对烧结温度影响更明显。氧化性气氛下烧结温度高，N2惰性气氛次之，还原性气氛下烧结温度低，蒸汽的添加大大降低了烧结温度，这是由不同气氛下铁离子的存在状态及钾的存在形态不同所致。 不同煤种烧结温度的差异主要和各煤灰中硅、铝、铁、钙含量不同有关，K催化剂的添加加剧了煤灰的烧结结渣，而钙、铁存在下因硅铝酸盐等的低温共融物的生成加速了灰熔融。 通过与高灰熔点煤混配可有效缓解易结渣煤种的结渣问题，配煤方式不同，对烧结温度影响各异，与催化剂在煤质上分布、催化剂存在形式不同相关；添加高铝系添加剂可有效提高灰熔融温度，添加硅系添加剂效果减弱，但氧化铝的添加会对煤气化活性及催化剂回收产生不利影响；氧化钙添加至一定含量可提高易结渣煤烧结温度，具体添加量受工况条件、煤种属性影响。 中试加压流化床气化炉的运行结果，验证了上述小试结论及获得的相关规律、机理的合理性、可靠性，其可有效指导大型装置合理选煤、配煤，实现长周期无结渣稳定运行，具有较好的理论指导价值。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2国内外相关技术发展现状

1.3煤灰熔融性及结渣机理相关研究综述

1.4课题的提出及研究意义

1.5本课题主要研究工作及研究方法

第2章 煤催化气化工艺中煤灰烧结温度影响因素考察

2.1 引言

2.2 试验方法及描述

2.3不同灰化温度对煤灰烧结温度的影响[113]

2.4不同催化剂种类及添加量对煤灰烧结温度的影响[113]

2.5不同压力对煤灰烧结温度的影响[126]

2.6不同反应气氛对煤灰烧结温度的影响[126]

第3章 煤催化气化条件下不同煤种烧结行为研究

3.1 引言

3.2试验方法及描述

3.3不同煤种灰成分对烧结温度影响[136]

3.4不同煤种烧结过程中矿物质演变规律研究[136]

第4章 配煤及添加剂对改善煤灰结渣性的影响

4.1 引言

4.2试验方法及描述

4.3脱灰预处理对煤灰烧结温度影响

4.4配煤法对煤灰烧结温度影响

4.5添加添加剂对煤灰烧结温度影响

第5章 煤催化气化中试加压流化床气化炉运行及结渣规律验证

5.1 引言

5.20.1t/d PDU流化床气化装置运行及结渣规律验证[143]

5.3 5 t/d 中试加压流化床气化装置运行及结渣规律验证

第6章 结论与展望

6.1主要结论

6.2主要创新点

6.3未来展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

攻读博士学位期间主要论文、专利及标准成果

攻读博士学位期间主要获奖情况

攻读博士学位期间参加的科研项目

致谢