煤催化氣化工藝中內(nèi)蒙王家塔煙煤灰燒結(jié)溫度的影響因素分析

毛燕東，金亞丹，李克忠，畢繼誠(chéng)，李金來(lái)，辛峰

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煤催化氣化工藝中內(nèi)蒙王家塔煙煤灰燒結(jié)溫度的影響因素分析

毛燕東1,2，金亞丹2，李克忠2，畢繼誠(chéng)2，李金來(lái)2，辛峰1

(1天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2新奧科技發(fā)展有限公司集團(tuán)煤基低碳能源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北廊坊 065001)

煤催化氣化工藝中堿金屬催化劑的引入加劇了氣化爐的結(jié)渣，直接影響了流化床氣化爐結(jié)渣的正常操作。煤灰的燒結(jié)特性是流化床氣化爐結(jié)渣的主要影響因素之一，通過(guò)摸索工藝條件使煤氣化在燒結(jié)溫度以下運(yùn)行，可有效避免流化床氣化爐內(nèi)出現(xiàn)結(jié)渣問(wèn)題。利用壓差法測(cè)定燒結(jié)溫度，結(jié)合灰渣的XRD分析結(jié)果系統(tǒng)研究了鉀基堿金屬催化劑的添加量、操作壓力、反應(yīng)氣氛對(duì)王家塔煙煤低溫灰化煤灰燒結(jié)溫度的影響。結(jié)果表明，碳酸鉀催化劑的添加明顯降低了煤的灰熔點(diǎn)及燒結(jié)溫度。0.1～3.5 MPa下，燒結(jié)溫度隨壓力增大而降低，而且壓力對(duì)燒結(jié)溫度的影響在高壓區(qū)更為明顯，具體影響規(guī)律與煤種灰成分及鉀基堿金屬催化劑的添加有關(guān)?？諝狻O2氧化性氣氛下的燒結(jié)溫度較高，N2惰性氣氛下次之，還原性氣氛下較低，而蒸汽的加入顯著降低了燒結(jié)溫度。燒結(jié)溫度的變化與不同氣氛下鐵離子存在狀態(tài)及鉀的存在形態(tài)密切相關(guān)。蒸汽氣氛下，鉀更多以KOH等低熔點(diǎn)化合物形態(tài)存在，而且含鉀物相在蒸汽氣氛下更容易同煤灰中的硅鋁、鐵鈣等礦物質(zhì)反應(yīng)，生成低共融點(diǎn)化合物，致使灰熔點(diǎn)及燒結(jié)溫度大幅下降。

煤；氣化；催化劑；燒結(jié)溫度；壓差法測(cè)定技術(shù)；壓力；反應(yīng)氣氛；蒸汽

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及環(huán)保規(guī)定的日益嚴(yán)格，近年來(lái)我國(guó)對(duì)天然氣這一清潔能源的需求量呈爆炸式增長(zhǎng)，供需矛盾日益突出。利用我國(guó)相對(duì)豐富的煤炭資源發(fā)展煤制天然氣技術(shù)，對(duì)于緩解供需矛盾和保障能源安全具有重要意義。煤催化氣化制天然氣技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)煤氣化技術(shù)的革新，該技術(shù)引入了可以同時(shí)催化水煤氣反應(yīng)、水煤氣變換反應(yīng)和CO/H2甲烷化反應(yīng)的催化劑，在低溫、中壓下生成富含甲烷的氣體。煤催化氣化技術(shù)與其他煤氣化制甲烷技術(shù)相比具有熱效率高、甲烷含量高、水耗低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有利于CO2的集中捕獲、處理及其他污染物的脫除，引起世界各國(guó)極大的關(guān)注[1-8]。

煤催化氣化技術(shù)使用的催化劑主要有堿金屬、堿土金屬和過(guò)渡金屬等的無(wú)機(jī)化合物，而堿金屬催化劑的催化活性較佳，已得到廣泛認(rèn)同[9-12]。堿金屬催化劑的引入可有效降低反應(yīng)溫度、提高反應(yīng)速率，并提高目的產(chǎn)物的收率，但在反應(yīng)工況下堿金屬催化劑會(huì)同煤中的Si、Fe、Ca等礦物質(zhì)反應(yīng)生成低共融物，極大地降低煤的灰熔點(diǎn)及燒結(jié)溫度；低共融物的存在會(huì)加劇煤灰顆粒相互黏結(jié)成塊，尤其是在流化床反應(yīng)器中，會(huì)影響流化狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)排渣困難，甚至失流化，致使反應(yīng)器難于連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行[13-22]。

煤催化氣化工藝中催化劑的引入使得氣化爐的結(jié)渣問(wèn)題更加凸顯，通常采用的灰熔點(diǎn)測(cè)定中的初始變形溫度并不是灰黏結(jié)結(jié)渣的最低極限溫度，氣化爐在低于變形溫度幾百度的溫度下也會(huì)發(fā)生結(jié)渣[23-24]。決定灰黏結(jié)結(jié)渣的是煤灰初始燒結(jié)溫度，煤灰的燒結(jié)特性是流化床氣化爐結(jié)渣的主要影響因素之一，對(duì)流化床氣化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行具有較大的影響[25]。

煤灰成分、壓力、反應(yīng)氣氛是影響煤灰燒結(jié)溫度的主要因素。Al-Otoom等[25-26]對(duì)測(cè)定煤灰燒結(jié)溫度的方法進(jìn)行了綜述，并對(duì)加壓流化床燃燒爐煤灰的燒結(jié)溫度進(jìn)行了研究；王勤輝等[27-32]研究了壓力、氣氛和煤灰成分對(duì)燒結(jié)溫度的影響，當(dāng)流化床操作溫度高于煤灰燒結(jié)溫度時(shí)煤中礦物質(zhì)具有黏結(jié)結(jié)渣的趨向。

鑒于煤催化氣化技術(shù)相對(duì)于現(xiàn)有研究存在操作壓力更高（3.5 MPa）、反應(yīng)氣氛中存在大量蒸汽及引入了堿金屬催化劑等自身特點(diǎn)，本研究以內(nèi)蒙古王家塔煙煤為實(shí)驗(yàn)原料考察了鉀基堿金屬催化劑添加、壓力、反應(yīng)氣氛對(duì)燒結(jié)溫度的影響。針對(duì)煤催化氣化工藝，通過(guò)控制反應(yīng)溫度在燒結(jié)溫度以下操作，可有效避免流化床氣化爐內(nèi)結(jié)渣問(wèn)題的出現(xiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

原料煤為王家塔煙煤，標(biāo)記為WJT，經(jīng)粉碎、篩分得到粒徑為90～180mm的煤粉，干燥處理后進(jìn)行催化劑負(fù)載。采用等體積浸漬法將分析純碳酸鉀催化劑均勻負(fù)載于WJT煤上，負(fù)載量為WJT煤粉質(zhì)量的10%，干燥后得到負(fù)載碳酸鉀催化劑王家塔煤，標(biāo)記為WJT-K。WJT及WJT-K煤質(zhì)分析見(jiàn)表1。

表1 試樣煤質(zhì)分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of samples

① By difference.

1.2 灰樣制備及灰熔點(diǎn)測(cè)定

為了防止常用的815℃下高溫灰化過(guò)程中因煤樣中堿金屬催化劑揮發(fā)損失導(dǎo)致分析結(jié)果失真，本研究采用550℃低溫灰化[33]，即按照NY/T 1881.5—2010標(biāo)準(zhǔn)對(duì)WJT、WTJ-K進(jìn)行灰化處理，對(duì)制備的灰樣進(jìn)行灰成分分析及灰熔點(diǎn)測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 試樣灰成分分析Table 2 Ash composition analysis of samples

表3 試樣灰熔點(diǎn)Table 3 Ash fusion temperatures of samples/℃

①M(fèi)olar ratio of H2to CO2is 1:1; ② CO2.

Note: Testing method was in accordance with GB/T 219—2008.

1.3 壓差法燒結(jié)溫度測(cè)定

1.3.1 技術(shù)原理 燒結(jié)即為在超過(guò)表面張力條件下毗鄰顆粒間的黏結(jié)。壓差法燒結(jié)溫度測(cè)定技術(shù)是將灰柱內(nèi)發(fā)生的變化以壓差的形式表現(xiàn)出來(lái)，其理論基礎(chǔ)是達(dá)西定律

在氣體流速、灰柱長(zhǎng)度和可滲透系數(shù)0保持不變的情況下，壓差隨氣體黏度增大而增大，氣體黏度隨溫度升高而增大，因此壓差隨溫度升高而升高。當(dāng)灰發(fā)生燒結(jié)時(shí)，灰柱收縮，在灰柱內(nèi)部以及灰柱和管道之間會(huì)形成新的氣體通道，從而使得壓差變小。所以當(dāng)燒結(jié)發(fā)生時(shí)壓差隨溫度變化的曲線上有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度即為灰的燒結(jié)溫度[25-26]。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)定步驟 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，包括3路進(jìn)氣系統(tǒng)（H2、CO、N2、CO2、O2單一氣體或混合氣）、蒸汽系統(tǒng)（加壓雙柱塞水泵、蒸汽發(fā)生器）、壓差法燒結(jié)溫度測(cè)定水平管及電加熱爐、儀表控制系統(tǒng)（測(cè)溫?zé)犭娕?、壓差傳感器、壓力?jì)等）、氣液分離裝置、干燥器、背壓閥等。

將待測(cè)灰樣制成的灰柱置于內(nèi)徑為12 mm的水平反應(yīng)管中，用氮?dú)庵脫Q反應(yīng)管中的空氣并給系統(tǒng)充壓，調(diào)節(jié)背壓閥使系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在指定反應(yīng)壓力下，之后按設(shè)定程序進(jìn)行升溫，反應(yīng)管內(nèi)溫度達(dá)400℃后開(kāi)啟水泵，將蒸汽等指定反應(yīng)氣氛所需氣體介質(zhì)按一定流量通入反應(yīng)管中，同時(shí)打開(kāi)壓差傳感器兩端閥門，獲取壓差隨溫度變化的曲線，測(cè)得燒結(jié)溫度。

1.4 分析及表征方法

將燒結(jié)前后的灰樣于瑪瑙研缽中研磨至粒徑小于75mm，通過(guò)X射線衍射法(XRD：Bruker D8 Focus)檢測(cè)其物相組分。測(cè)試條件為：Cu靶、管電壓40 kV、管電流40 mA、掃描范圍5°～80°（2）、掃描速率８(°)·min-1。

1.5 實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定

采用WJT、WJT-K煤灰為原料，考察不同壓力（0.1、1.0、2.5、3.5 MPa）、不同反應(yīng)氣氛（單一氮?dú)狻錃?、二氧化碳、蒸汽及各氧化性混合氣氛和還原性混合氣氛）對(duì)燒結(jié)溫度的影響。各設(shè)定氣氛編號(hào)及組成見(jiàn)表4。

表4 各設(shè)定反應(yīng)氣氛氣體組成Table 4 Gas compositions of different reaction atmospheres

2 結(jié)果與討論

2.1 碳酸鉀催化劑添加對(duì)燒結(jié)溫度的影響

由表2、表3可知，WJT煤灰中堿性化合物含量較高，灰熔點(diǎn)較低。添加碳酸鉀催化劑后，煤灰中堿性化合物比例大大增加，酸性化合物比例相應(yīng)更少，WJT-K灰熔融軟化溫度相對(duì)于WTJ煤降低了250℃。

采用XRD分析WJT、WJT-K煤粉的物相組成，如圖2所示。WJT煤灰的物相組成主要有石英、方解石、硬石膏、赤鐵礦，大量堿性礦物質(zhì)的存在使得該煤種灰熔點(diǎn)較低，與表2灰成分、表3灰熔點(diǎn)分析結(jié)果對(duì)應(yīng)。添加催化劑后，WTJ-K煤灰中出現(xiàn)了碳酸鉀及碳酸鉀鈣石物相，均為低熔點(diǎn)物質(zhì)，致使WJT-K灰熔點(diǎn)大大降低。

在3.5 MPa、H2O+CO+H2反應(yīng)氣氛（具體組成見(jiàn)表4氣氛5）下考察WJT、WTJ-K灰燒結(jié)溫度（s），壓降隨溫度的變化如圖3所示。隨溫度升高床層壓降增大，在達(dá)到燒結(jié)溫度前壓差隨溫度變化近似于線性變化，與理論符合較好。由圖2可知，WTJ-K煤灰燒結(jié)溫度為650℃，在低于燒結(jié)溫度十幾度溫差范圍內(nèi)壓差基本不隨溫度變化，這是由于氣體黏性隨溫度升高而增大引起的壓差增加量和開(kāi)放孔增大引起的壓差減少量暫時(shí)達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，使壓差保持不變[26]。WJT煤灰在800℃未發(fā)生燒結(jié)，實(shí)驗(yàn)重復(fù)性在±10℃內(nèi)。

添加碳酸鉀催化劑后，碳酸鉀及碳酸鉀鈣石等含鉀物相的存在使得煤灰燒結(jié)溫度大大降低，與灰熔點(diǎn)測(cè)試結(jié)果一致。含鉀堿性化合物本身較低的灰熔點(diǎn)，加之K極易同煤灰中的Si、Al等形成長(zhǎng)石類低熔點(diǎn)物質(zhì)，堿金屬鉀的存在加劇了煤灰的熔融結(jié)渣[34]。

2.2 壓力對(duì)燒結(jié)溫度的影響

于H2O+CO+H2反應(yīng)氣氛（具體組成見(jiàn)表4氣氛5）下考察不同壓力對(duì)WJT-K灰燒結(jié)溫度的影響，如圖4所示。WJT-K煤灰燒結(jié)溫度隨壓力增大而降低。在整個(gè)壓力考察范圍（0.1～3.5 MPa）內(nèi)燒結(jié)溫度受壓力影響均較大，高壓下影響更明顯。Jing等[31]在0.1～1.0 MPa范圍內(nèi)考察了壓力對(duì)燒結(jié)溫度的影響，得出0.1～0.7 MPa下燒結(jié)溫度隨壓力增大降低，而0.7～1.0 MPa內(nèi)燒結(jié)溫度隨壓力的增大降低趨勢(shì)不明顯。李風(fēng)海等[32]的研究得出在低壓范圍（0～0.7 MPa）下煤灰燒結(jié)溫度受壓力影響較少，0.7～1. 0 MPa 時(shí)燒結(jié)溫度隨壓力變化大，1.0～1.5 MPa燒結(jié)溫度隨壓力增大變化減少，但更高壓力對(duì)煤灰燒結(jié)溫度影響的研究至今尚未見(jiàn)報(bào)道。Jing等[29-31]認(rèn)為較高壓力下增大壓力時(shí)燒結(jié)溫度降低趨勢(shì)變緩主要與隨壓力增大高熔點(diǎn)莫來(lái)石物相出現(xiàn)相關(guān)。本研究采用的WJT灰樣中Al含量低，而Fe、Ca含量高，同時(shí)堿性化合物K的添加改變了煤灰成分，研究結(jié)果表現(xiàn)出更高壓下壓力對(duì)燒結(jié)溫度影響更明顯，這可能與所選煤種灰成分及碳酸鉀催化劑的添加有關(guān)。

不同壓力下燒結(jié)灰樣的XRD譜圖如圖5所示。0.1 MPa下燒結(jié)灰樣的主要物相為碳酸鉀、碳酸鉀鈣石及淡磷鉀鐵礦，主要為添加的催化劑及其同煤灰礦物質(zhì)反應(yīng)所生。隨壓力增大，淡磷鉀鐵礦含量增加，隨后降低，至3.5 MPa下完全消失，其發(fā)生了分解或同煤灰中的礦物質(zhì)反應(yīng)生成非晶低共融物，XRD無(wú)法檢測(cè)。1.0 MPa下，檢測(cè)出磁鐵礦物相，而且隨壓力增大含量逐漸增加，易融礦物質(zhì)磁鐵礦極易同煤中的Ca、Si、Al等反應(yīng)生成低溫礦物質(zhì)，該些低溫礦物質(zhì)間易發(fā)生反應(yīng)生成低熔點(diǎn)共融物[35]，使灰熔點(diǎn)及燒結(jié)溫度大大降低。3.5 MPa下，淡磷鉀鐵礦完全消失，碳酸鉀物相降至較少含量，其發(fā)生了分解或同煤中的Si、Al形成了長(zhǎng)石、透石等低熔點(diǎn)礦物質(zhì)，而這些礦物質(zhì)極易同鐵鈣礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成低溫共融物[36]，致使燒結(jié)溫度降低。3.5 MPa下，檢測(cè)出方解石物相，壓力的增大抑制了這些低溫礦物質(zhì)的分解，在更高溫度下方解石更容易同灰中的K、Fe等的硅鋁酸鹽礦物質(zhì)反應(yīng)形成低溫共融物，降低燒結(jié)溫度[31]。同時(shí)堿金屬催化劑的添加及加壓均會(huì)加速反應(yīng)速率，影響并改變礦物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)平衡，煤灰中一些易形成低熔點(diǎn)共融物物質(zhì)的存在大大降低了煤灰的燒結(jié)溫度。

2.3 不同反應(yīng)氣氛對(duì)燒結(jié)溫度的影響

于3.5 MPa下考察惰性、氧化性、還原性單一氣氛及混合氣氛（具體反應(yīng)氣氛見(jiàn)表4）對(duì)WJT-K灰燒結(jié)溫度的影響，如圖6所示?？諝?、CO2氧化性氣氛下燒結(jié)溫度較高，N2惰性氣氛下次之，還原性氣氛下較兩者更低。

燒結(jié)溫度的差異主要由不同氣氛下鐵離子存在狀態(tài)不同導(dǎo)致。還原性氣氛下，3價(jià)鐵可轉(zhuǎn)化為2價(jià)鐵，而2價(jià)鐵更容易與灰中的SiO2、Al2O3及含鈣礦物質(zhì)等反應(yīng)形成低溫共融物，在低于700℃下就可能會(huì)形成液相，導(dǎo)致燒結(jié)溫度降低[37]。

對(duì)比4種單一氣氛，蒸汽氣氛下燒結(jié)溫度最低。對(duì)比各混合氣氛，相對(duì)于單一氣氛，蒸汽的添加大大降低了燒結(jié)溫度?？紤]造成這種現(xiàn)象的主要原因可能與蒸汽存在條件下鉀的存在形態(tài)不同有關(guān)。蒸汽氣氛下，部分鉀以KOH形式存在，其本身熔點(diǎn)很低，而且蒸汽氣氛下鉀更容易同煤灰中的硅鋁化合物反應(yīng)生成低熔點(diǎn)物質(zhì)[38-39]，致使灰熔點(diǎn)及燒結(jié)溫度大幅下降。

對(duì)比不同反應(yīng)氣氛下燒結(jié)煤灰的XRD譜圖，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)：N2惰性及CO2氧化性氣氛下檢測(cè)出以Fe3+形式存在的淡磷鉀鐵礦、鉀石膏、硅鈣石等物相，而氫氣及蒸汽氣氛下這些物相因發(fā)生反應(yīng)熔融而消失，助融礦物磁鐵礦物相出現(xiàn)；還原性氣氛下，灰中存在的鐵更多以2價(jià)鐵形式存在，極易同煤灰中的礦物質(zhì)反應(yīng)生成鐵橄欖石、鐵尖晶石、鐵鋁榴石、斜鐵輝石等礦物質(zhì)，這些鐵系礦物質(zhì)相互間及同鉀、鈣礦物質(zhì)易反應(yīng)產(chǎn)生低溫共熔現(xiàn)象[28,30]，從而使氫氣、蒸汽氣氛下灰樣的燒結(jié)溫度相對(duì)惰性及氧化性氣氛降低。相對(duì)于純蒸汽氣氛，H2O+CO+H2反應(yīng)氣氛下檢測(cè)出方解石物相，而且磁鐵礦含量相對(duì)增加，兩者均為助融礦物質(zhì)，易同鉀鈣、硅鋁等物質(zhì)反應(yīng)生成低熔點(diǎn)共融物[31,35]，導(dǎo)致該氣氛下燒結(jié)溫度最低；H2O+N2反應(yīng)氣氛相對(duì)于純氮?dú)鈿夥障?，淡磷鉀鐵礦及鉀石膏物相消失，檢測(cè)出鈣沸石等鈣的硅鋁酸鹽物相，蒸汽氣氛下含鉀物相更容易同鐵、鈣等的硅鋁酸鹽反應(yīng)生成低熔點(diǎn)非晶物質(zhì)[38-39]，致使蒸汽、氮?dú)饣旌蠚夥障聼Y(jié)溫度相對(duì)于單一氮?dú)鈿夥障陆档?；H2O+CO2反應(yīng)氣氛相對(duì)于純CO2氣氛下淡磷鉀鐵礦、碳酸鉀物相消失，可能生成了熔點(diǎn)更低的鉀鐵的非晶礦物質(zhì)，同時(shí)檢測(cè)出磁鐵礦，致使燒結(jié)溫度降低；空氣氣氛下燒結(jié)溫度最高，除了受鐵離子存在形態(tài)影響外，將燒結(jié)煤灰的XRD譜圖同其他氣氛下的譜圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以較低熔點(diǎn)的鉀化合物形式存在的碳酸鉀、碳酸鉀鈣石等的含量相對(duì)降低，大量含鉀物相以硫酸鉀等高價(jià)氧化物形式存在，相對(duì)于碳酸鹽較穩(wěn)定，不易同煤灰中的硅鋁化合物反應(yīng)，降低了鉀鈣鐵的硅鋁酸鹽間相互反應(yīng)生成低熔點(diǎn)共融物的概率，致使空氣氣氛下燒結(jié)溫度較高。

3 結(jié) 論

通過(guò)自制的壓差法測(cè)定燒結(jié)溫度實(shí)驗(yàn)裝置，并結(jié)合XRD分析，研究王家塔煤灰的燒結(jié)特性，考察鉀基堿金屬催化劑添加、反應(yīng)壓力、反應(yīng)氣氛對(duì)燒結(jié)溫度的影響。

（1）堿性化合物碳酸鉀催化劑的添加顯著降低了煤的灰熔點(diǎn)及燒結(jié)溫度。低熔點(diǎn)含鉀物相的存在，加之K極易同煤灰中的Si、Al等形成長(zhǎng)石類低熔點(diǎn)物質(zhì)，致使煤灰的熔融結(jié)渣因堿金屬鉀的添加而加劇。

（2）在0.1～3.5 MPa下考察了壓力對(duì)燒結(jié)溫度的影響。燒結(jié)溫度隨壓力增大而降低，而且高壓下壓力對(duì)燒結(jié)溫度影響更明顯，這一現(xiàn)象與煤中灰成分及碳酸鉀催化劑的添加有關(guān)。加壓及堿金屬催化劑的添加會(huì)加快反應(yīng)速率，影響并改變礦物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)平衡；壓力的增大抑制了某些礦物質(zhì)的分解，這些物質(zhì)在更高溫度下容易同灰中的礦物質(zhì)反應(yīng)形成低溫共融物。這些煤灰中易形成低熔點(diǎn)共融物物質(zhì)的存在使得煤灰的燒結(jié)溫度大大降低。

（3）空氣、CO2氧化性氣氛下燒結(jié)溫度較高，N2惰性氣氛下次之，還原性氣氛下較低，這主要由不同氣氛下鐵離子的存在狀態(tài)及鉀的存在形態(tài)不同所致。蒸汽的添加大大降低了燒結(jié)溫度，考慮這種現(xiàn)象主要與蒸汽存在條件下鉀的存在形態(tài)不同有關(guān)。蒸汽氣氛下，部分鉀以KOH形式存在，其本身熔點(diǎn)很低，而且蒸汽氣氛下含鉀物相更容易同鐵、鈣等的硅鋁酸鹽化合物反應(yīng)生成低熔點(diǎn)物質(zhì)，致使灰熔點(diǎn)及燒結(jié)溫度大幅下降。

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Analysis of influencing factors on sintering temperature of Inner Mongolia Wangjiata bituminous coal ash during catalytic coal gasification

MAO Yandong1,2, JIN Yadan2, LI Kezhong2, BI Jicheng2, LI Jinlai2, XIN Feng1

(School of Chemical Engineering and TechnologyTianjin UniversityTianjinChinaState Key Laboratory of Coalbased Low Carbon EnergyENNTechnology & Development Co. LtdLangfangHebeiChina

Agglomeration in fluidized bed gasification system is considered as a primary operational problem, especially for catalytic coal gasification process because alkali catalyst worsens sintering and slagging. The optimal condition from the experiments will ensure the operation of coal gasification below sintering temperature and make the fluidized bed gasifier operate normally. In this paper a self-made pressurized pressure-drop measuring device combining analysis of X-ray diffractometer (XRD) analyzer were used to study the effects of alkali catalyst addition, operation pressure and reaction atmosphere on sintering temperature of Wangjiata bituminous coal from Inner Mongolia, China. Sintering temperatures declined markedly after adding potassium carbonate catalyst. Sintering temperatures decreased with increasing pressure in the range of 0.1—3.5 MPa, and a more obvious decrease could be observed in the interval of higher pressure. This effect could be related to coal ash composition and addition of alkali catalyst. Operation pressure influenced sintering temperatures by affecting reaction rate and mineral transformation in coal ash, as observed from XRD patterns. Sintering temperatures measured in the reducing reaction atmosphere were lower than those in inert and oxidizing atmospheres, which could be related to different existence forms of Fe ions and K. The addition of water vapor lowered sintering temperature significantly. The presence of water vapor led to formation of low melting point materials, such as KOH, and K-bearing materials were easier to react with minerals of coal ash to produce low temperature eutectics in water vapor atmosphere, thus lowering sintering temperature.

coal；gasification；catalyst；sintering temperature；pressure-drop technique；pressure；reaction atmosphere；water vapor

2014-10-29.

LI Kezhong, nyyjy@enn.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20141630

TQ 53；TQ 54

A

0438—1157（2015）03—1080—08

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目

聯(lián)系人：李克忠。第一作者：毛燕東（ 1984—），女，博士研究生，工程師。

supported by the National Key Technology R&D Program of China (2009BAA25B00) and the National Basic Research Program of China (2011CB201305).