【摘要】：煤等含碳物料在氣化過程中受到煤階、氣化溫度、顆粒粒徑以及內(nèi)在礦物質(zhì)等諸多因素不同程度的影響。掌握各因素在氣化與共氣化過程中對物料物理化學(xué)結(jié)構(gòu)演變的影響,能夠為煤炭氣化過程提高碳轉(zhuǎn)化率提供借鑒和指導(dǎo)。本文以煤、工業(yè)氣化細渣以及食物垃圾等含碳物料為研究對象,考察了煤化程度、氣化溫度、灰含量、顆粒粒徑在高碳轉(zhuǎn)化率時對物料氣化反應(yīng)的影響,掌握了煤焦內(nèi)在灰分中的堿性氧化物與酸性氧化物對氣化過程中物料物理化學(xué)結(jié)構(gòu)的不同影響規(guī)律,探討了不同粒徑氣化細渣的氣化特性和理化性質(zhì)差異及其與石油焦共氣化時的反應(yīng)特性,研究了食物垃圾與煤和生物質(zhì)的共氣化特性與灰分交互機理。主要內(nèi)容包括:(1)研究了氣化溫度、顆粒粒徑、灰含量等因素在高碳轉(zhuǎn)化率下對16種不同煤階煤焦氣化活性的影響,從煤焦結(jié)構(gòu)變化方面對煤焦氣化活性變化進行了深入分析,并提出以R0.95作為煤焦高碳轉(zhuǎn)化率氣化活性的比對參數(shù)。研究表明,煤階越高,碳微晶結(jié)構(gòu)普遍更有序,煤焦氣化活性也越低�；曳衷诟咛嫁D(zhuǎn)化率時對煤焦氣化速率有明顯影響,灰含量越高,高階煤焦在高碳轉(zhuǎn)化率時反應(yīng)速率降低越明顯。高階煤的比表面積隨粒徑增大而降低,氣化活性也隨之降低且在高碳轉(zhuǎn)化率時尤為顯著;低階煤由于孔隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)達,粒徑變化對比表面積和氣化活性的影響并不明顯。因此相較低階煤,在高碳轉(zhuǎn)化率時提高溫度、減小粒徑、降低灰含量能更有效提高高階煤碳轉(zhuǎn)化率。不同煤階煤焦適用的動力學(xué)模型存在差異。高階煤結(jié)構(gòu)致密,適用均相模型;孔隙較為發(fā)達的低階煤則適合隨機孔模型。(2)基于不同酸洗方式,研究了煤灰中堿性氧化物和酸性氧化物對煤焦氣化過程中反應(yīng)速率及理化結(jié)構(gòu)演變的影響。結(jié)果表明,煤灰分中堿金屬在氣化過程中與煤焦表面碳形成反應(yīng)活性位,從而促進煤焦氣化反應(yīng)進行。脫去灰中堿金屬導(dǎo)致煤焦的初始氣化反應(yīng)速率降低,但不改變煤焦的物理結(jié)構(gòu)。脫去灰中酸性氧化物會顯著改變煤焦氣化過程物理結(jié)構(gòu)演變�；曳衷诜磻�(yīng)過程中不僅會包裹煤焦表面,阻礙煤焦與氣化劑接觸,還會堵塞煤焦孔隙,降低煤焦比表面積。脫灰煤焦氣化反應(yīng)速率在反應(yīng)后期明顯高于原煤焦。因此,對于煙煤和無煙煤,脫灰煤焦的氣化反應(yīng)速率雖然在氣化初期有所降低,但隨著氣化反應(yīng)的進行,氣化反應(yīng)速率明顯加快,其整體氣化反應(yīng)速率亦高于原煤焦。(3)以工業(yè)氣化裝置排出細渣為研究對象,通過研究不同粒徑工業(yè)氣化細渣的理化特性,揭示了氣化細渣中灰分富集狀態(tài)對細渣殘?zhí)細饣磻?yīng)活性的影響。研究結(jié)果表明,氣化細渣以小粒徑(40 μm)顆粒為主,且小粒徑細渣殘?zhí)己匡@著低于大粒徑(63 μm)細渣。雖然小粒徑細渣的碳含量低,但殘?zhí)碱w粒與熔融的球形灰顆粒呈離散分布,殘?zhí)碱w粒表面未被灰分覆蓋。大粒徑細渣的碳含量高,但殘?zhí)碱w粒表面被灰分包裹,導(dǎo)致其比表面積顯著降低。并且,小粒徑細渣具有較多反應(yīng)活性位且石墨化程度更低,氣化活性明顯高于大粒徑細渣。同時,相較大粒徑細渣,小粒徑細渣的添加對石油焦氣化具有更強催化作用。(4)考察了食物垃圾(廚余)與神府煤、木屑的共氣化特性,并基于高溫?zé)崤_顯微鏡原位研究了廚余食物垃圾的典型組分(生菜、肉骨、大米)與煤焦的共氣化機理。實驗發(fā)現(xiàn),食物垃圾與神府煤的共氣化存在協(xié)同作用,且氣化過程中灰分的遷移與交互是協(xié)同作用的主要原因;食物垃圾與木屑共氣化無明顯相互作用且氣化過程中無明顯灰分遷移。同時,食物垃圾不同組分與神府煤共氣化過程的相互作用存在明顯差異。生菜、肉骨和神府煤共氣化反應(yīng)存在明顯協(xié)同作用;大米與神府煤共氣化反應(yīng)存在抑制作用。通過原位實驗發(fā)現(xiàn),生菜與煤共氣化過程中含有大量K的生菜灰分熔融并大量遷移至煤焦表面,顯著促進了氣化反應(yīng)。但在氣化后期熔融生菜灰包裹煤焦,導(dǎo)致共氣化反應(yīng)速率降低。肉骨與煤共氣化過程中,高Ca的肉骨灰分以顆粒形式粘附在煤焦表面,對共氣化有一定促進作用且并未阻礙煤焦與氣化劑的接觸。
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ546
【圖文】：

反應(yīng)活性位Ｃｆ可以和氧原子結(jié)合，從而生成碳氧絡(luò)合物Ｃ（Ｏ），碳氧絡(luò)合物Ｃ（０）繼而發(fā)逡逑生分解，生成Ｃｆ和Ｃ０，新生成的＜：「再次和氧原子結(jié)合，并重新生成絡(luò)合物Ｃ（Ｏ），如逡逑此連續(xù)循環(huán)反應(yīng)。循環(huán)反應(yīng)過程機理如圖２．１所示。逡逑Ｃ０‘、＇邐＾邋Ｃｆ、廣邋Ｃ０，，邋（邋（）＇邋ｚ邐，Ｈ．）０邋２（邋０＾Ｃｆ、，０，）逡逑丫邋Ｔ邋丫邋Ｘ邋Ｙ邋７邋＇逡逑（ａ）邋Ｃｈａｒ－Ｃ0２邋ｒｅａｃｔｉｏｎ邐（ｂ）邋Ｃｈａｒ－ｓｔｅａｍ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ邐（ｃ）邋Ｃｈａｒ－０２邋ｒｅａｃｔｉｏｎ逡逑圖２．１煤焦氣化反應(yīng)機理圖逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｃｏａｌ邋ｇａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ逡逑同時，煤氣化反應(yīng)并不是不可逆反應(yīng)，實際上煤氣化反應(yīng)所生產(chǎn)ｃｏ、Ｈ２＆會對反逡逑應(yīng)產(chǎn)生抑制作用。Ａｇａｒｗａｌ等［９］發(fā)現(xiàn)ＣＯ的存在會使圖２．２中（ａ）的反應(yīng)向相反方向進行，逡逑從而抑制氣化反應(yīng)的進行。１＾１0１１１如等［１（）］發(fā)現(xiàn)不只Ｃ０有抑制氣化的作用，出的存在同逡逑樣會減緩氣化反應(yīng)速率。當Ｈ２組分超過５０％的時候，氣化反應(yīng)基本停滯。這表明，Ｈ２逡逑

速率均可能成為整體氣化反應(yīng)的控制步驟。因此，在不同溫度區(qū)間，氣化溫度對煤焦氣逡逑化反應(yīng)的影響也存在差異，一般可將溫度對氣化反應(yīng)的影響情況看作三個控制區(qū)域＾９＇３＇逡逑示意圖見圖２．２。第一控制區(qū)域為本征反應(yīng)控制區(qū)域。該溫度區(qū)間中，煤焦本征氣化反逡逑應(yīng)速率低于內(nèi)、外擴散速率，為控制反應(yīng)。第二區(qū)域為內(nèi)擴散控制區(qū)域。該溫度區(qū)間，逡逑本征反應(yīng)速率較快，氣化劑在煤焦孔隙中的擴散速率較慢，因此，該區(qū)域中內(nèi)擴散為控逡逑制步驟。第三區(qū)域為外擴散控制區(qū)域。該溫度區(qū)域中，本征氣化反應(yīng)速率最快，氣化劑逡逑在煤焦表面快速反應(yīng)，氣化劑來不及向煤焦孔隙擴散即反應(yīng)完全。在該區(qū)域，氣化劑向逡逑煤焦表面的擴散速率成為控制步驟，即外擴散控制。并且，由于不同煤種煤樣的孔隙結(jié)逡逑構(gòu)、比表面積和本征氣化反應(yīng)速率大不相同。因此，對于不同煤種，其控制區(qū)域間的分逡逑界線也存在差異。逡逑１０邋邐邐逡逑Ｒｅｇｉｍｅ邋３邐｜邐＿邐．逡逑Ｉ邐Ｂｏｕｎｄａｒｙ邋，邐Ｒｃ？，ｍｃ邋２邋Ｘ邐＾ｍＣ逡逑１邐：邋ｎ

當氣化劑分壓恒定不變時，改變系統(tǒng)總壓對煤焦氣化反應(yīng)的幾乎沒有影響。逡逑Ｍｅｓｓｅｎｂ６ｃｋ等［３３］采用絲網(wǎng)反應(yīng)器（ＷＭＲ）研宄了邋Ｃ０２氣氛中，煙煤在０．１－３．０邋ＭＰａ逡逑下的氣化反應(yīng)速率。如圖２．３所示，在反應(yīng)初期的２０ｓ，氣化反應(yīng)速率隨著壓力的上升逡逑顯著增加，當壓力大于２邋ＭＰａ后變化趨勢減慢，到反應(yīng)時間６０ｓ，０．１、１．０、２．０、３．０邋ＭＰａ逡逑下所對應(yīng)的碳轉(zhuǎn)化率分別為２４％、６５．２％、７８．６％和８６％�？梢园l(fā)現(xiàn)，壓力較高情況下，逡逑壓力對相同時刻轉(zhuǎn)化率影響較小。該現(xiàn)象可能是由于煤焦活性位的飽和導(dǎo)致碳轉(zhuǎn)化率的逡逑增量在高壓下放緩；也可能是反應(yīng)產(chǎn)生的ＣＯ對反應(yīng)的抑制作用。逡逑１００邋邐二 ，二邐逡逑一邋■一邋ＰＴ＝０．１ＭＰａ逡逑９０邋＂邋－＃－ＰＴ－１．０ＭＰａ邐．%煎義希�？e劍海劍蓿櫻義縣義希靛澹掊義希彥澹懾澹危垮危澹懾澹義希板危保板危玻板危常板危矗板危擔(dān)板危叮板危罰板義希裕椋恚邋澹ǎ螅╁義賢跡玻沖

本文編號：2743077