煤催化气化过程中矿物质变迁规律及结渣机理研究

发布时间：2020-04-15 00:39

【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,N_2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。
【图文】：

煤炭,化石能源,占比,储量

煤炭在中国化石能源资源储量中占比约为 94％，石油、天然气合计不足 6％（见图1.1），在一次能源消费结构中，煤炭占比高达 66％，石油、天然气合计为 23.1％（见图 1.2）[1]。资源储量和消费结构上的不平衡不仅使得能源产业发展面临着安全保障、经济性等诸多挑战，同时也给能源结构调整带来了“硬着陆”的危机。针对我国煤炭产业的发展现状，如何化解煤炭产能过剩问题不容忽视，而化解煤炭产能过剩的核心问题是实现煤炭的清洁高效利用。尽快转变传统粗放的煤炭利用方式，大力发展煤炭清洁高效转化、积极实施能源结构调整是未来的发展方向。图 1.1 化石能源储量煤炭占比Fig.1.1 Coal proportion in fossil energy reserves

一次能源消费,煤炭,占比

图 1.2 一次能源消费煤炭占比Fig.1.2 Coal proportion in primary energy consumption经济的迅速发展以及环保规定的日益严格，近年来我国对天然需求量呈爆炸式增长，中国天然气市场已经进入快速发展期气消费量超过产量（见图 1.3）。由表 1.1 可知，天然气在一年提高。天然气消费占一次能源中的比重由 2000 年的 2.4%提、2011 年的 5.0%、2012 年的 5.4%，预计 2020 年将达到 10据的世界平均水平为 24%，欧美国家更是高达 34%，中国远水平。来，，我国天然气供应缺口逐年加大，供需矛盾日益凸显。2314亿标方，2013年缺口达到了530亿标方；预计2020年，我国00亿标方，对外依存度达50%以上。我国天然气缺口地以北京北京市有关数据统计，2010年北京天然气用量达65亿标方左右
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ541

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