【基金标书】2010CB227000-煤等含碳固体原料大规模高效清洁气化的基础研究.doc

项目名称:
煤等含碳固体原料大规模高效清洁气化的基础研究
首席科学家:
王辅臣华东理工大学
起止年限:
2010年1月-2014年8月
依托部门:
教育部上海市科委
一、研究内容
拟解决的关键科学问题包括:
本项目紧密围绕拓展大型气化技术的原料适应性面临的科学问题,注重煤气化过程中CO2的利用、微量有害物质的迁移转化等关键技术的理论基础研究。由于大规模高效清洁气化中操作条件的苛刻(1300~1700℃、~)、被研究介质组成与结构的复杂性及其变化的多样性,尤其是过程中各种物理、化学作用的紧密交联和相互影响,至今在国际上该领域涉及的重要科学问题还未见系统的研究报道,国内的研究有了一定的基础,还需进一步加强。
(1)煤等多种含碳固体原料高温高压气化反应动力学、共气化过程的相互作用机理及微量有害元素的迁移转化规律
大规模高效煤气化过程的高温(1300~1700℃)、高压(~)操作条件以及部分氧化的还原性气氛,使得所涉及物质的一系列化学变化与其他的煤转化过程(如燃烧等)有着根本的区别。一方面煤本身是一种具有多种组成和复杂结构的反应物质;另一方面为了适应气化原料的多样性,又涉及到煤与其他含碳固体物料(石油焦、污泥等)的共气化机理、协同作用机制等,更增加了其中所涉及问题的复杂性。因此,必须研究:在高温、高压反应条件下不同煤种的变质程度、煤岩组成、矿物质组成、煤焦的石墨化趋势、煤焦孔结构的复杂变化、煤中无机质(灰分)和有机质之间的相互作用对煤的气化反应活性和最终的碳转化率的影响;气化过程中碱性矿物质的熔融和迁移对石油焦气化活性的影响机理;煤与多种含碳固体物料共气化反应动力学;煤在气化过程中S、N、P、Cl、As、Hg等有害元素的赋存形态与分布、化学反应机理,特别是有害元素在气态产物中的分布形态和迁移规律。
(2)高温、高压下湍流多相混合与非均相反应过程耦合机理、过程强化及火焰结构特征
大规模高效气化炉内的煤气化过程具有高温、高压、高生产强度、短停留时间(5~8秒)等特殊性,不同于燃烧和其它气化技术,涉及湍流多相流动与复杂反应过程的相互作用、过程耦合、过程强化等科学问题。炉内气化反应初期化学反应速度极快,与流动密切相关的混合过程起着极为重要的作用,只有强化混合,促进热质传递过程,才能充分利用有限的炉内空间,确保煤的高效转化。强化混合是大型气化炉内湍流多相流动过程研究的关键,涉及高粘的水煤浆液膜或者液滴在高速气流下的破裂过程机理或同轴气流中超浓相粉煤颗粒的弥散过程,对置多相撞击射流是强化炉内传递的重要技术手段。因此,必须研究:射流撞击过程中,撞击流喷嘴出口初始条件(如湍流强度等)和撞击面的不稳定性对颗粒运动的影响;撞击区中颗粒震荡的原因和控制的手段;多股超浓相气固两相射流撞击流的稳定性及颗粒的运动和震荡规律;各种大尺度回流涡结构对颗粒分布的作用机理及其对颗粒停留时间分布的影响;湍流多相流动与复杂非均相反应之间的耦合机理;还原性气氛、撞击速度和撞击角度等因素影响下的径向火焰高度变化规律;不同气化原料(如煤粉、石油焦、污泥等)对撞击气化火焰形态、浓度和温度分布的影响;用于气化炉内耐高温(1400℃以上)、耐熔渣干扰的可靠在线温度测量方法。
(3)高温、还原性气氛下熔渣形成机理、流变特性及传热机理
原料适应更广泛、操作更灵活的冷壁式气化炉的开发迫切需要研究高温、还原性气氛下熔渣形成机理、流变特性及传热规律。气化反应生成的熔渣大部分沉积在气化炉内壁上形成一流动渣层,沿壁面流出气化室。研究流动态下熔渣形成机理、沉积规律、熔渣分布和传热引起的相变过程,对掌握气流床气化炉特别是冷壁式气化炉工程放大依据、确保气化炉安全长周期运行有重要意义。固态熔渣和流动态熔渣从矿物质组成、内部结构等方面存在极大差别,对燃烧过程固态熔渣特性已有广泛研究,而对气化过程还原性气氛下熔渣特性的研究几乎处于空白。因此,必须研究:熔渣特性与煤中矿物质及灰分组成、晶体结构的关系;煤灰成分对灰渣高温熔融特性的影响规律;多原料共气化生成灰渣的高温熔融特性及与原料组成的关系;高温还原性气氛下熔渣形成机理、流变特性;助熔剂对降低灰熔点和灰粘度的作用机理;熔渣流动、传热和气化过程的相互作用规律;壁面附近的流体流动对壁面熔渣流动行为的影响;建立综合考虑颗粒沉积、壁面可燃物化学反应和壁面熔渣凝固与流动的模型。
(4)多种原料高浓度浆体制备及超浓相气力输送特性与规律
大型煤气化技术入炉原料一般有两种形态,或用粉煤,或用水煤浆。不同的原料形态及其输送方式对气化炉性能有重要影响。对粉煤气化过程,一方面要求在加压下超浓相输送,另一方面,为了降低合成气出口中的惰性气体含量,适应后续化工合成的要求,期望输送载气还能作为气化的介质,从这一点而言,