生物质的添加对煤气化过程中煤灰熔点特性调控的研究

The adjustment of coal ash fusion characteristics by addition of biomass into coal gasification process is the effective means for increasing coal gasification efficiency and decreasing ash disposal. The objective of this research is to elucidate the formation process of eutectic mixture and the effect of biomass alkali mental on coal ash formation path. The morphology of eutectic crystals, crystalline morphology and the changes of crystal structure will be observed and analyzed using hot stage microscope and X-ray powder diffractometer. Laboratory float/sink analysis will be conducted to produce different density samples with different mineral concentrate which will be co-gasified with biomass in order to investigate the formation rule of eutectic mixture caused by solid-solid diffusion. The ternary phase diagram of coal ash main components was built through thermodynamic calculation of multiphase and multi components. The phase transitions of main inorganic oxides, the relation between components with ash characteristic will be generated. The variation of ash fusion characteristics will be analyzed and predicted. The conclusions will provide the theoretical basis for the choice of flux during coal gasification.

通过添加生物质达到对煤灰熔点性质的调控是提高煤气化效率，降低灰处理量的有效手段。本项目主要围绕添加生物质后，煤灰中低共熔混合物的形成过程及生物质中碱金属对煤灰形成途径的影响进行研究。在局部的氧化/还原反应气氛下将样品加热到近灰熔点温度或灰熔点温度，利用热台显微镜结合原位X射线粉末衍射仪，观测和分析样品低共熔混合物尤其是共熔晶体的形貌、晶体形态和结构的改变。利用浮沉分离实验制备含不同矿物组分的煤样与生物质进行共气化研究，考察矿物质之间由于固固扩散所引起的低共熔混合物的形成过程及规律。在实验数据的基础上，结合多相多组分的热力学平衡计算方法构建高温煤灰组分中主要组分的三元相图，得出煤灰中主要无机氧化物之间的物相变化、组分与灰特性的关系，分析并预测煤灰熔点特性的变化规律，为煤气化过程中助熔剂的选择提供理论依据。

含碳物料的气化技术是热效率最高、产品最多样化、最洁净的能源转化途径，在煤气化炉中添加生物质是优化我国能源结构、实现能源多元化、清洁化和低碳化利用的途径之一，生物质的引入而引起的一系列与灰相关的问题是目前限制煤和生物质共气化商业化进程的主要因素。本研究从宏观-微观-分子三个层次探讨了碱金属对煤灰形成途径的影响以及矿物质的转变对气化过程的影响。在宏观尺度上，以晋城煤为基准所计算的灰产率和在弱还原气氛下所测得的灰熔融温度都会随着水稻秸秆添加比例的增加降低，20%的水稻秸秆添加就可以使晋城煤灰熔融温度降低至1369ºC，即能满足现代液态排渣的气流床要求；而做为对比试验的IL#6烟煤与麻风树籽炼油废弃物的灰产率和灰熔融温度与生物质添加比例不成正比，表明生物质的添加对煤灰熔融特性的影响是与具体物料中灰的化学成分和矿物质成分相关。在微观尺度上，高温热台单颗粒气化实验表明共混物料灰熔融特性的改变是双向的，水稻秸秆的灰熔点由于晋城煤颗粒的添加会升高，晋城煤的灰熔点会随着水稻秸秆的添加而降低，气化气氛是灰熔融特性改变的主要因素；在分子水平上，SiO2-Al2O3-CaO三元相图表明弱还原气氛下，水稻秸秆的添加导致易于形成由莫来石、石英和钙长石三相所组成低共熔混合物；低熔点化合物和低共熔混合物在晋城煤焦表面的流动，以及晋城煤焦结构无序化的增强，使水稻秸秆成灰后对晋城无烟煤气化转化率起促进作用；用化学分馏法对生物质灰中碱金属进行化学形态的分类，水溶形的、醋酸铵溶形的、盐酸溶形的和盐酸不溶形的，用含有不同化学形态碱金属的生物质灰与晋城煤共气化，结果表明水溶形的和盐酸不溶形的碱金属对晋城煤焦有催化作用，晋城煤中矿物质对催化作用有“毒化”作用；2.5%水稻秸秆灰的添加对于晋城脱灰煤焦的催化作用与30%水稻秸秆灰对晋城煤焦的催化作用相似；50%的灰的添加会产生熔聚现象。烘焙预处理工艺使富钾麻风树籽炼油废弃物可以与IL#6煤稳定连续的进行共气化归因于成灰元素氯的挥发。这些研究结果可以为共气化过程中与灰相关的沉积、积垢、烧结、腐蚀和熔聚等问题提供理论基础。