添加剂对催化气化工艺中煤灰结渣性及气化性能影响研究

煤催化气化工艺中碱金属催化剂的引入加剧了气化炉的结渣,直接影响了流化床气化炉的正常操作。煤灰的烧结特性是流化床气化炉结渣的主要影响因素之一。通过自制的压差法烧结温度测定实验装置,并结合XRD等分析表征及Factsage热力学软件模拟计算,考察了不同添加剂对煤灰烧结特性及气化性能的影响,并从矿物学角度探讨了添加剂对煤灰结渣特性及气化工艺的影响。结果表明,添加硅铝系添加剂可提高煤灰的烧结温度;相比硅系添加剂,添加高铝系添加剂对改善煤灰的烧结温度效果更明显;高铝系添加剂可作为一种高效的阻熔剂,但因在气化过程中容易同催化剂反应,导致催化剂催化性能降低,对煤的气化活性及催化剂回收率产生不利影响;添加氧化钙添加剂,煤的灰熔温度及烧结温度均增加,随氧化钙含量增加,灰熔点及烧结温度均升高,且对气化活性及催化剂回收率有良性作用;氧化钙可作为改善煤种结渣性的添加剂用于催化气化工艺中,需根据煤种性质及工艺特点确定适宜的添加量。     

煤催化气化工艺中内蒙王家塔烟煤灰烧结温度的影响因素分析

煤催化气化工艺中碱金属催化剂的引入加剧了气化炉的结渣,直接影响了流化床气化炉结渣的正常操作。煤灰的烧结特性是流化床气化炉结渣的主要影响因素之一,通过摸索工艺条件使煤气化在烧结温度以下运行,可有效避免流化床气化炉内出现结渣问题。利用压差法测定烧结温度,结合灰渣的XRD分析结果系统研究了钾基碱金属催化剂的添加量、操作压力、反应气氛对王家塔烟煤低温灰化煤灰烧结温度的影响。结果表明,碳酸钾催化剂的添加明显降低了煤的灰熔点及烧结温度。0.1～3.5 MPa下,烧结温度随压力增大而降低,而且压力对烧结温度的影响在高压区更为明显,具体影响规律与煤种灰成分及钾基碱金属催化剂的添加有关。空气、CO₂氧化性气氛下的烧结温度较高,N₂惰性气氛下次之,还原性气氛下较低,而蒸汽的加入显著降低了烧结温度。烧结温度的变化与不同气氛下铁离子存在状态及钾的存在形态密切相关。蒸汽气氛下,钾更多以KOH等低熔点化合物形态存在,而且含钾物相在蒸汽气氛下更容易同煤灰中的硅铝、铁钙等矿物质反应,生成低共融点化合物,致使灰熔点及烧结温度大幅下降。     

配煤对催化气化工艺中煤灰烧结行为影响研究

针对易结渣煤种,研究不同配煤方式对煤灰熔融特性的影响,在催化气化工况气氛下利用压差法烧结温度测定实验装置对各煤灰进行初始烧结温度测试,并结合X射线衍射(XRD)及Factsage热力学软件计算结果表征分析煤灰的相关物理和化学变化,推测灰中矿物质间的反应及矿物的转变,研究矿物质变迁规律,揭示缓解结渣机理。结果表明,通过将高灰熔点、高硅铝含量煤种同易结渣煤种混配可缓解易结渣煤种的结渣问题,同高灰熔点煤混合可有效提高易结渣煤种灰熔点;混煤工艺不同,对灰熔点及烧结温度影响各异,这主要与催化剂在煤质上分布、催化剂存在形式不同及其与不同煤种中矿物质作用不一有关。     

煤液化残渣萃余物与煤共气化的灰渣特性

与煤共气化是实现煤直接液化残渣萃余物(ER)资源化利用，提升煤直接液化工程整体经济性的重要途径。气化过程灰渣的流动性是影响气化操作条件的重要参数，利用灰熔点仪、高温旋转黏度计、XRD及SEM等测试手段考察了ER与煤共气化的灰渣熔融特性、黏温特性及晶体特性，并结合壳牌气化装置入炉煤配比和操作条件，从灰化学角度确定ER的最佳掺混比例及气化操作窗口。结果表明：ER属于高灰、高铁、高钙、高硫物质，且其灰成分偏碱性，随煤中ER添加量增大，掺混后的灰分、铁含量和硅铝比逐渐增大。当萃余物质量分数超8%,全液相温度T_liq降低，但萃余物添加量超20%时，熔渣类型从玻璃渣转变为结晶渣。XRD与SEM分析结果表明钙长石的析出造成熔渣类型改变，钙长石的析出主要是因为萃余物的添加使熔渣黏度降低，熔渣中团簇的扩散能力增强，有利于结晶行为。结合Shell气化炉的操作条件及对煤灰中铁含量的要求，当萃余物添加量为10%时，共气化熔渣适合气化炉排渣，对应的排渣窗口为1 335～1 557℃。该研究结果为ER与煤共气化提供指导，提高煤直接液化流程的经济性。     

贵州煤种的CCG干粉煤气化工业实践

针对贵州煤矿分布及煤质特点,介绍了德国科林CCG干粉煤气化工艺采用贵州煤的工业实践过程及实践结果。考察了贵州煤的黏温曲线和灰成分,研究了添加石灰石对煤灰熔融性温度的影响,并以此筛选符合要求的煤种作为气化原料。气化炉运行结果表明,科林CCG气化炉采用贵州煤种,装置运行连续稳定,工艺指标先进,有效气含量高、碳转化率高、成渣率高,运行效果达到了要求和既定目标。     

小型流化床燃煤自供热煤催化气化特性研究

在内耐火衬式流化床中,采用负载不同碱金属及配比催化剂的煤粉为原料,研究了煤粉催化气化过程,探索了自热方式为催化气化过程提供足够反应热的可能性,获得了维持煤气化装置连续稳定运行的工艺条件。经实验研究发现,通过燃煤自供热可为催化气化过程提供所需的能量,并维持炉温在所需温度范围;添加碱金属催化剂后,煤粉对应的着火温度有明显降低,且钾盐对煤粉着火点影响比钠盐显著。同时,催化剂负载量存在一个最佳值;添加催化剂后,维持系统稳定操作的温度范围降低了100～200℃,控制炉温在低于该温度范围内操作,可有效减少结渣;负载催化剂后在较低的气化温度下可实现较高的碳转化率和气化效率,实现装置的连续稳定运行。燃煤自供热的流化床催化气化装置的构建及开发,将解决现有催化气化技术经济性不佳及工程放大难的问题。     

调控煤灰流动特性的气化配煤研究进展

在对气化配煤调控煤灰熔融特性、结渣特性综述的基础上,从矿物质演变和量子化学角度对配煤改变煤灰化学特性机制进行了重点分析。配煤本质上改变了煤灰中易熔矿物与难熔矿物组成和含量,含钙与含铁硅酸盐矿物所形成的低温共熔物是煤灰熔融温度降低主要原因;莫来石、钙矾石、钙铝榴石等高熔点矿物的生成是提高煤灰熔融温度、改善高碱煤结渣特性的重要原因。进一步从煤灰化学组成与矿物组成两个方面对配煤灰熔融特性预测模型进行了阐述。最后对配煤改善煤灰流动特性研究方法和方向提出了建议。     

调控煤灰流动特性的气化配煤研究进展

在对气化配煤调控煤灰熔融特性、结渣特性综述的基础上,从矿物质演变和量子化学角度对配煤改变煤灰化学特性机制进行了重点分析。配煤本质上改变了煤灰中易熔矿物与难熔矿物组成和含量,含钙与含铁硅酸盐矿物所形成的低温共熔物是煤灰熔融温度降低主要原因;莫来石、钙矾石、钙铝榴石等高熔点矿物的生成是提高煤灰熔融温度、改善高碱煤结渣特性的重要原因。进一步从煤灰化学组成与矿物组成两个方面对配煤灰熔融特性预测模型进行了阐述。最后对配煤改善煤灰流动特性研究方法和方向提出了建议。     

气化煤质特性指标的检测对壳牌煤气化装置稳定运行的影响

分析了壳牌煤气化工艺对煤质的适用要求,详细分析了水分、挥发分、灰分、硫和固定碳、煤灰成分及灰熔融性,配煤煤灰粘度特性等煤质特性指标对壳牌气化炉工艺的影响,应提供准确的气化煤煤质特性检测指标,以指导气化炉工艺稳定、经济运行.     

煤中矿物质与气化工艺的选择

考察了煤中矿物质对气化工艺选择的影响关系,介绍了国内外有关的研究进展。研究表明,煤灰的熔融特性及粘－温特性是气化工艺排渣方式选择的决定因素。煤的灰熔点及灰粘度不但与煤灰的化学组成有关,而且与煤灰的矿物形态有关,且与相平衡性质有较好的相关性。这为研究控制煤灰熔点、扩大气化工艺选择提供了较好的理论基础。     

流化床煤气化技术的研究进展

结合流化床煤气化过程原理和循环流化床反应器开发应用状况,综述了流化床煤气化技术的进展,分析比较了目前广泛应用的3种煤气化流化床:鼓泡流化床,循环流化床及增压流化床的工艺及特点,并对工业上应用的典型的煤气化流化床(高温温克勒(HTW)及灰熔聚气化)的气化工艺流程具有的优势和存在的问题进行了较为详细的分析,并概括了流化床煤气化技术的发展趋势及应用前景.     

串行流化床煤气化试验

针对串行流化床煤气化技术特点,以水蒸气为气化剂,在串行流化床试验装置上进行煤气化特性的试验研究,考察了气化反应器温度、蒸汽煤比对煤气组成、热值、冷煤气效率和碳转化率的影响。结果表明,燃烧反应器内燃烧烟气不会串混至气化反应器,该煤气化技术能够稳定连续地从气化反应器获得不含N₂的高品质合成气。随着气化反应器温度的升高、蒸汽煤比的增加,煤气热值和冷煤气效率均会提高,但对碳转化率影响有所不同。在试验阶段获得的最高煤气热值为6.9 MJ•m^-3,冷煤气效率为68％,碳转化率为92％。     

Fluidized bed gasification of coal

Gasification of high ash India coal has been studied in a laboratory-scale, atmospheric fluidized bed gasifier using steam and air as fluidizing media. A one-dimensional analysis of the gasification process has been presented incorporating a two-phase theory of fluidization, char gasification, volatile release and an overall system energy balance. Results are presented on the variation of product gas composiiton, bed temperature, calorific value and carbon conversion with oxygen and steam feed. Comparison between predicted and experimental data has been presented, and the predictions show similar trends as in the experiments.     

流化床-气流床耦合反应器中煤气化特性

利用化工动力学软件CHEMKIN建立了流化床-气流床耦合反应器等效网络模型,在φ300 mm反应器中的煤气化实验结果基础上,充分考虑耦合反应器不同区域物料间两相流动、传质传热,对耦合反应器各部分流体力学特征以及耦合反应器中不同区域的化学反应进行了分析。利用模型对飞灰的碳转化率、耦合反应器的碳转化率、耦合反应器内温分布及物料停留时间进行计算,结果表明,流化床耦合气流床反应器后,气流床可将出口飞灰碳转化64.1%,实现了耦合反应器对飞灰的再气化;耦合反应器煤气化系统的碳转化率由单独流化床的84.9%提高到92.2%。     

Fundamentals of coal topping gasification: Characterization of pyrolysis topping in a fluidized bed reactor

Coal topping gasification refers to a process that extracts the volatiles contained in coal into gas and tar rich in chemical structures in advance of gasification. The technology can be implemented in a reactor system coupling a fluidized bed pyrolyzer and a transport bed gasifier in which coal is first pyrolyzed in the fluidized bed before being forwarded into the transport bed for gasification. The present article is devoted to investigating the pyrolysis of lignite and bituminite in a fluidized bed reactor. The results showed that the highest tar yield appeared at 823 to 923 K for both coals. When coal ash from CFB boiler was used as the bed material, obvious decreases in the yields of tar and pyrolysis gas were observed. Pyrolysis in a reaction atmosphere simulating the pyrolysis gas composition of coal resulted in a higher production of tar. Under the conditions of using CFB boiler ash as the bed material and the simulated pyrolysis gas as the reaction atmosphere, the tar yields for pyrolytic topping in a fluidized bed reactor was about 11.4 wt.% for bituminite and 6.5 wt.% for lignite in dry ash-free coal base.     

灰熔聚流化床粉煤气化技术加压大型化研发新进展

灰熔聚流化床粉煤气化技术历经20余年的研发和工程化放大,低压气化技术已日趋成熟,并用于氮肥企业原料气改造和新建甲醇合成厂。该气化技术可使用不同灰含量和灰熔融性温度的煤,过程效率也较高,符合我国资源特点。为此在山西省发展和改革委员会的支持下,中科院山西煤化所和山西晋煤集团合作成立的“山西省粉煤气化工程研究中心”正在建设3.0MPa加压灰熔聚流化床粉煤气化中试平台,2006年年底已建成,预计于2007年3月进行加压气化试验,2007年完成加压灰熔聚流化床煤气化工业装置设计软件包的编制,形成具有我国自主知识产权、适应中国煤炭特点的大规模加压灰熔聚流化床粉煤气化技术。本文介绍了灰熔聚流化床粉煤气化过程,指出它的优点、缺点、适用范围、技术现状和发展方向,并对加压灰熔聚气化中试技术进行了简介。     

灰熔聚流化床粉煤气化技术0.6MPa工业炉运行概况

介绍了中科院山西煤炭化学研究所开发的灰熔聚流化床粉煤气化技术及其适用范围、工业应用情况。灰熔聚流化床粉煤气化技术具有气化温度适中、氧耗量较低、煤种适应性宽、产品气不含焦油、气化炉耐火材料要求低等优点。同时,对0.6 MPa工业装置的运行情况进行了介绍,总结了0.6 MPa工业装置运行结果,并指出当前需要改进和完善之处。     

气化对煤质的要求

介绍了气流床气化对煤质的要求,论述了煤的水分、反应活性、粒度和灰分对气化的影响。研究表明,煤的内水含量是决定煤浆性能的主要因素,灰渣的黏温曲线比灰熔点对气化炉的操作更具指导意义,选择在操作温度区间灰渣黏度变化平缓的煤种有利于气化炉的安全、平稳运行。     

A new integrated approach of coal gasification: the concept and preliminary experimental results

The total carbon conversion of conventional fluidized bed gasifier is relatively low (<90%) mainly because of carbon loss in fly-ash. In this paper, a new concept of integrated coal gasification—fluidized bed+entrained flow is introduced. Within this process, large partition of coal with higher reactivity is converted in an ash agglomerating fluidized bed reactor under moderate temperature (~1000 °C). The remaining small partition of coal (fly-ash) with lower reactivity is converted in a small integrated entrained flow gasifier under higher temperature (1200–1400 °C). Low carbon content ash is withdrawn in dry mode by ash agglomerating, with no need to be melted. Preliminary experimental results show that the whole system can be operated steadily, total carbon conversion reaches >95%, efficient gas (CO+H₂) concentration is 78–82%. Heat exchange between two reactors has been realized, the high temperature gas from entrained flow gasifier can be cooled, and in the mean time the temperature of fluidized bed nearly keeps constant. The high-temperature ash from entrained flow gasifier can be cooled by the char in dense phase of the fluidized bed and then withdrawn in agglomerating mode. All these results prove the concept correct and feasible.