水葫芦与煤共气化实现能源化利用的关键科学问题研究

水葫芦是一种水体净化能力突出、生长快速、含有一定能量的高含水率水生植物。因其高含水率等特点，目前无法实现大规模利用。本项目依托水煤浆气流床气化技术，将水葫芦利用纳入现代煤化工领域，提出了将预处理后的水葫芦掺入煤中制备水葫芦煤浆共同气化生产合成气的工艺路线。该工艺充分利用水葫芦的水份和能量，并且不排放SO2、NOx、粉尘和有机污染物，避免了水葫芦利用过程中产生二次污染；气化过程中可实现水葫芦从水体中富集的氮、磷和重金属元素的迁移转化控制，避免其经过气化后又大量回到环境水体。本项目重点研究高固含率水葫芦煤浆的制备，水葫芦煤浆雾化机理，与煤共气化时水葫芦对煤气化动力学和灰熔融特性的影响，水葫芦中氮、磷和重金属迁移规律和机理等关键科学问题等。这些研究创新性明显，对实现水葫芦大规模能源化利用、推动其用于水体污染治理具有重要意义，并可望拓展适合于水煤浆气化的煤种。前期工作已为完成项目打下坚实基础。

本课题依托水煤浆气流床高温气化技术，将高含水率的水葫芦预处理后与煤混合制浆气化。课题组分别对水葫芦与煤的共成浆性、浆体雾化规律、水葫芦煤浆的气化反应速率和灰熔点变化机制等方面进行了理论分析和实验研究。结果表明：水葫芦煤浆为假塑性流体，随着剪切速率的增大浆体的表观黏度降低。这一特性有利于浆体的输送，并且水葫芦煤浆的稳定性明显好于水煤浆。延长球磨时间和添加Fe2(SO4)3球磨有利于水葫芦浆体黏度的降低，经适当预处理后适合于工业生产的水葫芦煤浆浓度可达61.1%。基于KH不稳定性和RT不稳定性分析获得了煤浆的射流核心长度Lb/D1随气体We数，气液动量比M及液体Oh数变化的表达式。用总压守恒理论得到了喷嘴端部液体卷吸的临界气速预测公式。发现了水葫芦煤浆中的Fe3+离子对煤CO2气化具有显著催化作用。灰熔点随着水葫芦掺混比例的增加而出现先减小后增大的非线性变化情况。当水葫芦与神府煤的比例为23.9/100时，混合物流动温度降低到1180℃左右。Fe2(SO4)3等改性剂的加入可以进一步降低神府煤与水葫芦混合物的灰熔点。通过过程模拟软件对生物质煤浆和水煤浆的气化过程进行了数值计算分析，获得了适合于水葫芦煤浆气化的工艺条件。本课题共发表SCI论文18篇，授权发明专利5项。