高灰、高灰熔点煤气流床气化中的关键基础问题

The entrained flow gasification is a predominant technology in modern coal chemical industry. The reserve of coal with high ash content and high ash fusion tempertures (denoted as 2H coal) in Shanxi province is huge. The slag of 2H coal has high viscosity, high temperature of critical viscosity, and the slagging operation temperature window is narrow, so it is not suitalbe for entrained flow gasifier directly. The bad slagging properties of 2H coal is the bottleneck problem for slag tapping gasifier. In this proposal, in order to suuply the solution for utilization of 2H coal in entrained flow gasifier efficiently, coal washing and flux agent usage was suggested to change the ash content and compositions of 2H coal so as to adjust its slagging behavior based on ash chemistry. The major issues in the study includes: (1) to illustrate the reation between ash content of washed coal and ash compositon or mineral component; (2) to reveal the relation among S+A, S/A, Ca/Fe, Ca/Na and slag viscosity temperature behavior and the synergistic or competition effect of flux components; (3) to demenstrate the essence between ash composition and slag viscosity temperature behavior and establish the viscosity prediction model based on solid formation, crystallization rate, cooling rate and content of residual carbon. Finally, the above results are to guide the utilization of 2H coal in entrained flow gasifier efficiently and to extend the knowledge about chemisty of ash from coal.

气流床气化是现代煤化工的主流技术。山西高灰、高灰熔点（“两高”）煤储量大，但其煤灰熔渣的黏度大、临界黏度温度高且难调控，造成排渣温度高且温度窗口窄，难以满足气流床气化炉液态排渣的要求，是限制其应用及山西煤化工发展的关键。合理洗选和添加助熔剂是利用“两高”煤的基础。本项目以 “两高”煤气流床气化利用为背景，以洗选和添加助剂改变煤灰化学组成，进而调控煤灰流动性为主线，重点研究洗选降低灰分与煤灰化学和矿物质组成的关系；明确不同S+A和S/A下Ca/Fe及Ca/Na复合助熔剂对熔渣黏温特性的影响规律和Na的逃逸特性，阐明熔渣中不同助剂之间的协同和竞争机制；认识不同性质的残炭与不同类型矿物质发生碳热还原反应的机理；揭示灰化学组成影响煤灰黏温特性的本质，建立基于固相生成速率、结晶和降温速率及残炭含量为参数的黏度预测模型。研究结果将为山西“两高”煤的气流床气化利用提供直接指导，同时丰富和发展煤的灰化学。

山西“两高”煤难以满足气流床气化炉液态排渣，本项目提出洗选和添加助剂改变煤灰化学组成调控煤灰流动性的方案，实现“两高”煤气流床气化的应用。针对山西典型“两高”煤，确定最佳的洗选程度和助剂添加方案，主要结论如下：（1）明确了精煤灰分与矿物质组成、煤灰Si/Al比的关系：随着精煤灰分的降低，石英含量降低，高岭土和黄铁矿含量升高，导致煤灰Si/Al比降低；为了避免熔渣在CaO含量低于12%形成结晶渣，精煤灰分应不低于18%;（2）阐明了Ca-Fe和Ca-Na复合对熔渣黏温特性的影响规律，Ca-Na复合对Si-O结构的破坏和[AlO4]5-结构的形成具有协同作用，且Ca/Na比减小阻碍晶体的生成，利于形成玻璃渣；Ca-Fe复合对熔渣结构的影响不存在相互作用，Ca/Fe比减小促进了晶体的生成，易形成结晶渣；（3）获得了复合助剂对气化运行效率的影响，与石灰石比较，复合助剂配比为6:4时，Ca-Na和Ca-Fe复合助剂的添加量分别减少1.5%和1.0%，显著提高气化效率；（4）为了合理使用Na基助熔剂，针对气化条件下Na逃逸的规律进行了研究，为Na基助剂的利用提供基础；（5）揭示了残炭性质和煤灰化学组成对碳热反应的影响：残炭的石墨化程度越高，反应性高的sp2含量降低，碳热反应的温度越高；煤灰Si/Al比越高，高温下无定型矿物质含量越高，降低碳热反应的速率；Fe2O3含量增加促进Fe2O3与残炭的反应，与碳热反应形成竞争作用，提高碳热反应的温度；（6）通过将分子模拟和传统实验结合进行灰化学的研究，从多尺度揭示了高温下煤灰结构和流动性的微观机理；（7）建立了依据化学组成和离子势的完全液相温度预测模型，适用于“两高”煤灰流动温度的预测模型，以及基于熔渣类型的临界黏度温度预测方法。上述研究结果为山西“两高”煤洗选和助剂添加提供理论依据，为其气流床气化利用提供直接指导，同时丰富和发展煤的灰化学。

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