煤浆液滴的快速热解机理及热解半焦气化动力学研究

Gasification process is a very important technology of high-efficiency and clean utilization for coal. It's also the foundation of many industrial processes, such as coal-based chemical synthsis, coal liquifiction, IGCC power generation, coal-based poly-generation, hydrogen production and direct reduction of iron oxide. Jet-entrained bed gasification represents the trend of development of coal gasification technology. As one of the jet-entrained bed gasification technologies, the coal-water-slurry (CWS) gasification process is used extensively. Development of the related kinetic models of coal pyrolysis and char gasification is the very foundation of a comprehensive model applied to scale-up, optimization and dynamic simulation of a coal gasification process. In this project, bursting and breakage of the CWS droplets during pyrolysis process will be investigated by coupling the high-frequency furnace and the laser diffraction particle size analyzer. Regular pattern of the effects of CWS fast pyrolysis process on the physical and chemical characteristics of coal char will be probed by characterizing the pore structure, specific surface area and surface structure. Investigation of the gasification kinetics of the char prepared by CWS fast pyrolysis will be conducted to reveal the effects of fast pyrolysis process on char gasification reactivity. Finally, compared with the kinetics of char prepared by pulverized coal fast pyrolysis, kinetic models of CWS fast pyrolysis and char gasification for industrial gasification process will be proposed and used in modeling of commercial scale gasifier.

煤气化技术是煤炭高效清洁利用的核心技术，是发展煤基化学品合成、煤液化、IGCC发电、多联产系统、制氢、直接还原炼铁等过程工业的基础。气流床是煤炭气化技术发展的主要方向，其中气流床水煤浆气化技术应用最为广泛。建立能够准确描述煤颗粒热解和气化的动力学模型，是开发应用于工程放大、过程优化、动态模拟的气流床水煤浆气化综合模型的重要基础性工作。本项目将高频炉和激光衍射粒度仪相结合，对水煤浆液滴快速热解过程中的爆裂和破碎过程进行研究，通过对煤浆快速热解焦的孔隙结构、比表面积、表面特征等进行表征，探究在大量外水和内水共同作用下，煤浆快速热解对煤焦物理化学特征的影响规律；通过对煤浆快速热解煤焦气化特性的研究，揭示煤焦快速热解过程对煤焦气化活性的影响规律，并与同一煤种粉煤快速热解煤焦进行比较，建立能够准确描述工业气流床气化炉内煤浆快速热解过程及其煤焦气化过程的动力学模型，并应用于工业气化炉的模拟。

水煤浆气流床气化技术应用广泛，已成为煤气化技术的主流之一。相比于干煤粉快速热解，水煤浆液滴进入气流床气化炉后经历快速升温过程，水分快速蒸发脱除，对煤焦的物理化学结构和气化反应性产生显著影响。本研究在高频快速热解装置上进行了干煤粉、不同含水量煤颗粒及水煤浆液滴的快速热解实验，考察了煤焦质量收率和热解气释放等特征，探究了干煤粉热解焦和水煤浆热解焦的理化结构差异，分析了水分对热解过程的影响。研究结果表明：.（1）快速热解过程中粉煤煤焦的真密度和视密度均随温度和时间的增加而增加，煤焦固体将逐步转为以碳、灰为主的结构。煤焦中值粒径随温度和时间的增加而降低。提高热解温度和延长停留时间会强化颗粒破碎。高温下，粗破碎过程快速发生，剥落则发生在整个热解过程。褐煤与烟煤破碎程度相当，并高于无烟煤。在干煤粉快速热解过程中，颗粒核心未发生剧烈破碎。.（2）含水烟煤的快速热解过程可分为脱水和脱挥发分两个阶段，脱水过程动力学方程近似为一级。脱水阶段煤焦孔形不变，孔径尺寸变大；脱挥发分阶段孔形发生改变。热解过程中，热解焦比表面积先减小后增大，孔容先增大后减小；热解结束后，焦的比表面积和孔容随煤颗粒含水量升高而增加。相比于原煤煤焦，含水煤制得热解焦中保留了较多小孔，孔隙结构也更加发达。随着含水量升高，热解焦孔隙的分形维数增大，煤焦表面粗糙程度和多孔结构复杂程度提高。.（3）粉煤热解焦与水煤浆热解焦的质量收率差异受煤阶与热解温度的影响。水煤浆热解焦的碳氢比(m(C)/m(H))高于煤粉热解焦，且水煤浆热解焦的微晶有序度略高于煤粉热解焦。水煤浆中水分快速蒸发的扩孔作用导致水煤浆热解焦的比表面积高于粉煤热解焦。烟煤与褐煤水煤浆热解焦的孔隙结构都以楔形孔为主，褐煤粉煤热解焦的孔隙结构以狭缝形孔为主。水煤浆热解焦的孔隙结构更为丰富、分形特征更为复杂。.（4）随机孔模型可以较好的拟合粉煤热解焦与水煤浆热解焦的气化反应曲线，水煤浆热解焦的初始气化速率要高于煤粉热解焦。随着热解温度的升高，热解焦的活化能与指前因子均逐渐增大，且水煤浆热解焦的活化能略低于煤粉解焦。