煤焦-CO2气化过程中煤灰的催化作用及机理研究

摘要

本研究基于淮南煤灰组成特征，利用纯化学试剂配制模拟灰，将模拟灰与原煤灰分别添加至两酸法脱除灰分的淮南煤中，900℃下制成热解焦样，在热重分析仪上研究原煤焦、脱灰煤焦、添加原煤灰和模拟灰的煤焦的气化反应特性;同时，改变模拟灰的组成，考察灰中碱性组分K2O、CaO和Fe2O3的含量对脱灰煤焦气化特性的影响以及灰中SiO2和Al2O3对Fe2O3催化作用的影响，并探究影响机理。利用收缩核模型对煤焦气化反应进行了动力学模拟。得出以下主要结论:
　　酸法脱灰能脱除淮南煤中灰分，同时使煤焦比表面积增大了约175.28％，使淮南煤焦气化反应性变好;真实煤灰及模拟灰对煤焦热解过程的石墨化进程起抑制作用，外加煤灰在较低气化温度下对煤焦的气化具有催化作用，在高温段会增大气化剂扩散阻力，降低煤焦的气化速率。
　　随着灰中K2O、CaO和Fe2O3含量的增加，总体上煤焦的气化温度降低，气化反应活性上升;在模拟灰中，碱性氧化物会与灰中其他组分发生反应生成无催化活性化合物，灰中含少量催化剂时对煤焦的气化反应性无明显影响;煤灰中不同组分对煤焦气化的催化作用大小不同，在本文的实验研究范围内，淮南煤灰中这三种组分对煤焦气化反应的催化作用K2O＞CaO＞Fe2O3;灰中Fe元素以铁尖晶石的形态存在不会抑制其催化作用，有SiO2存在时会生成无催化作用化合物，抑制铁尖晶石的生成，导致Fe2O3的催化作用减弱。
　　收缩核模型能较好地拟合淮南煤焦的气化反应过程，淮南原煤焦和脱灰煤焦气化活化能分别为155.96kJ/mol和250.91 kJ/mol，加入真实灰和模拟灰会使脱灰煤焦反应活化能降低;在本文研究范围内，随着模拟灰中K2O和CaO含量的增加，煤焦的反应活化能先降低后增加，模拟灰中Fe2O3含量的变化对煤焦反应活化能的影响幅度较小且无明显规律;煤焦的气化反应活性由煤焦的反应活化能与气化速率共同决定。

目录

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摘要

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引言

1 文献综述

1．1 煤炭气化技术的发展

1．2 煤气化基本反应

1．2．1 煤气化反应过程

1．2．2 煤气化反应机理

1．3 煤气化反应的影响因素

1．3．1 影响煤气化反应的内在因素

1．3．2 影响煤气化反应的外在因素

1．4 煤催化气化研究

1．4．1 煤催化气化的研究现状

1．4．2 煤气化催化剂的研究

1．4．3 催化气化机理研究

2 实验部分

2．1 实验煤样及制备

2．1．1 煤样的基础分析

2．1．2 煤样的制备

2．2 药剂负载及焦样制备

2．2．1 模拟灰的配制及负载

2．2．2 实验焦样的制备

2．3 实验装置及实验方法

2．3．1 实验所需装置

2．3．2 XRD分析

2．3．3 比表面积分析

2．3．4 红外光谱分析

2．3．5 热重气化实验分析

2．3．6 气化残渣制备实验

2．4 相关计算

3 脱灰及外加煤灰对煤焦气化特性的影响

3．1 脱灰对淮南煤焦特性的影响

3．1．1 脱灰对煤焦碳晶结构的影响

3．1．2 脱灰对煤焦比表面积的影响

3．1．3 脱灰对煤焦表面官能团的影响

3．1．4 脱灰对煤焦气化特性的影响

3．2 外加煤灰对淮南煤焦特性的影响

3．2．1 外加煤灰对煤焦碳晶结构的影响

3．2．2 外加煤灰对煤焦气化特性的影响

3．3 本章小结

4 灰成分对淮南煤焦气化特性的影响

4．1 灰中碱性组分对淮南煤焦气化特性的影响

4．1．1 灰中K2O对淮南煤焦气化特性的影响

4．1．2 灰中CaO对淮南煤焦气化特性的影响

4．1．3 灰中Fe2O3对淮南煤焦气化特性的影响

4．1．4 煤灰碱性组分催化作用度量探究

4．2 灰中硅铝对淮南煤焦Fe2O3催化反应的影响

4．2．1 单氧化物对煤焦气化特性的影响

4．2．2 灰中硅铝对煤焦催化气化特性的影响

4．2．3 灰中硅铝对煤焦催化气化影响的机理探究

4．3 本章小结

5 煤焦气化动力学研究

5．1 动力学模型及计算方法

5．2 煤焦的气化动力学研究

5．2．1 淮南煤焦的动力学研究

5．2．2 灰成分对淮南煤焦气化动力学影响研究

5．3 本章小结

结论

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果