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不同煤焦的理化性质及高温气化反应特性研究

吴诗勇  
【摘要】: 随着现代煤气化技术的发展,大规模高效气流床煤气化技术逐渐成为现代气化技术的主流,有很广阔的应用前景。为此,研究接近气流床气化条件下煤焦的理化性质和气化反应特性显得十分重要。本文的主要内容和结果如下: (1)在热解温度为950~1500℃、慢速和快速热解条件下,采用高温马弗炉、小型快速落下床试验装置制备了神华煤、兖州煤和液相炭化焦的高温热解焦,使用SEM、XRD和孔结构及比表面积测试仪等分析手段,对所制备高温热解焦的理化性质进行了研究,取得了一些新的认识:①高温下,煤焦中的灰熔融团聚成球,并且有SiC生成,CaO和Fe_3O_4会发生碳热反应,慢速煤焦和快速煤焦灰熔融情况有所不同;②煤和液相炭化焦的高温热解焦比表面<10m~2/g;③慢速热解比快速热解更有利于煤焦的碳网结构向有序化方向发展,液相炭化焦碳微晶结构有序化程度明显快于煤焦,神华和兖州煤焦属于难石墨化的煤焦。 (2)在气化温度为950~1400℃范围内,采用等温热重法对不同煤种的高温CO_2气化反应特性进行了研究,结果发现:①在低温区(950~1150℃),煤焦的气化反应处于化学动力学控制区,而在高温区(1150~1400℃),由于灰的熔融行为,导致气化反应严重受到传质过程的影响,气化反应处于扩散动力学控制区;快速热解煤焦的气化活性比慢速热解煤焦的气化活性高,甚至高几倍;高温条件下,煤焦反应活性之间的差别减小而趋于一致;②高温热解总体上有利于提高液相炭化焦的气化反应性,这不同于高温热解对煤焦气化反应性的影响;③神华煤焦具有较高的反应活性,而兖州煤焦反应活性相对较低;飞灰中的碳有相当高的反应活性,液相炭化形成碳的反应活性十分差,甚至低于石墨。另外,在反应温度为900~1200℃范围内,采用水蒸汽气化固定床试验装置对兖州高温煤焦与水蒸汽的气化反应特性和动力学进行了研究,发现:①本文建立的以收缩未反应芯模型为基础的反应-扩散模型能较好地描述其气化反应过程;②在较低气化温度条件下,提高水蒸汽的分压对活性较差的煤焦气化反应速率的提高不明显。 (3)在热解温度为900℃、热解压力为0.1~3MPa和快速升温条件下,使用自制的加压热重试验装置,以神华煤、兖州煤和液相炭化焦为原料,制备了快速加压热解条件下的热解焦,采用孔结构及比表面积测试仪对所制热解焦的比表面积进行分析,并考察了各种热解焦的CO_2气化反应特性,结果发现:①在快速升温和加压热解条件下,煤焦和液相炭化焦在热解过程中比表面积的变化也呈现相反的趋势;②在快速升温条件下,常压热解焦的气化活性高于加压热解焦的气化活性,但在加压热解条件下,热解压力对不同含碳材料热解焦的气化活性的影响规律不尽相同。


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