高炉熔渣余热驱动复杂多相煤气化反应的应用基础研究

For making up for the deficiencies of the present molten blast furnace slag waste heat recovery technology, a novel multi-stage waste heat recovery process coupled with physical method and chemical method is put forward, to realize the high quality slag waste heat recovery effectively, to save fresh water, to reduce the environmental pollution and to utilize coal more efficiently and more cleanly. For technical bottlenecks of the coal gasification reaction with molten blast furnace slag in this novel process, the following foundational study on the complex multi-phase coal gasification reaction driven by molten blast furnace slag waste heat will be carried out: the reaction mechanism and the process control methodology of the multi-phase gasification reaction driven by the waste heat of molten slag will be revealed, and a new process of the multi-phase gasification reaction will be established, in which the component of production syngas can be controlled and the waste heat of molten slag can be recovered effectively; the effect of coal ash component, carbon residue and reaction temperature on the rheological properties of the molten slag will be studied, and the viscosity estimation model for molten blast furnace slag will be set up so as to obtain the controlling method; Combining the experiment and numerical simulation method, the characteristics of flow, gasification reaction, heat and mass transfer of the complex multi-phase gasification reaction process driven by molten blast furnace slag waste heat will be illuminated under the heterogeneous condition coupled with multi-field, and the multi-field coupling transmission and the cooperative reinforcement will be realized. This study will lay a solid theoretical foundation for the realization of the new technology to recover the waste heat of molten blast furnace slag.

针对现有高炉熔渣处理工艺存在余热回收利用率低、浪费新水及污染环境等问题，提出物化耦合多级炉渣余热回收新工艺，有效的将物理干式余热回收法和化学余热回收法相结合，在解决高炉熔渣余热回收利用问题的同时实现煤炭的高效清洁转化。针对该工艺中熔渣直接作用下煤气化反应过程存在的技术瓶颈，本项目重点开展高炉熔渣余热驱动复杂多相煤气化反应的应用基础研究，揭示熔渣余热驱动多相气化反应机理及过程控制方法，建立目标气体组分可控与熔渣余热高效回收利用的多相气化反应新过程；揭示煤灰成分、残炭量及温度等因素对熔渣流变特性影响规律，建立熔渣粘度预报模型，获得熔渣粘度变化控制方法；采用实验与数值模拟相结合的方式，阐明非均相多场耦合条件下熔渣余热驱动复杂多相气化反应体系的流动、气化反应及热质传递特性，实现体系的多场耦合传输及协同强化。本项目的研究将为高炉熔渣余热回收新工艺的应用奠定坚实的理论基础。

针对现有高炉熔渣处理工艺存在余热回收利用率低、浪费新水及污染环境等问题，提出物化耦合多级炉渣余热回收新工艺，有效的将物理干式余热回收法和化学余热回收法相结合，在解决高炉熔渣余热回收利用问题的同时实现煤炭的高效清洁转化。针对熔渣余热驱动复杂多相气化反应过程中存在合成气组分难调控、熔渣流动特性复杂多变及熔池内热质传递不均匀等核心科学问题，本项目开展了一系列的理论、实验及数值计算研究工作。采用理论分析的方式掌握了熔渣余热驱动多相气化反应的自由界面处传质阻力的理论计算方法，并基于动力学的实验研究掌握了气化反应动力学特性，建立适于熔渣存在的多相气化反应动力学模型；采用旋转柱体法，揭示了煤灰成分、残炭量及温度等因素对熔渣流变特性的影响规律，建立了适于熔渣余热驱动复杂多相气化反应体系的熔渣粘度预报模型，获得了熔渣粘度变化控制方法，确保体系内气化反应与热质传递过程中熔渣热流体具有适宜的流动性；通过实验研究和数值计算相结合的方式，明晰了复杂多组分气化剂/煤/熔渣的耦合作用机制，创建了兼顾多相气化反应与目标气体可控的熔渣余热回收利用新过程，实现了熔渣余热驱动复杂多相气化反应高效协同转化的同时获得含有特定组分的高品质合成气；基于以上理论、实验及数值计算的研究结果，阐明了非均相、多场耦合条件下熔渣余热驱动复杂多相气化反应体系的流动、气化反应及热质传递特性，实现了体系内多场耦合传输及协同强化。本项目的研究成果将为高炉熔渣余热回收利用新工艺的技术应用奠定坚实的理论基础，使这项具有节能和环保双重效益的技术早日在我国得以实现，为国家节能减排工作做出重大贡献。