煤的催化气化是煤和水蒸气在催化剂的作用下,一步法合成代用天然气的技术。最适宜进行煤催化气化的气化炉型是流化床反应器,K2CO3被认为是较理想的煤催化气化的催化剂,可有效降低气化反应温度,提高反应速率。但是K2CO3同时也是一种助熔物质,易与煤中的无机矿物质作用,生成低温共熔物。在流化床气化炉内,低温共熔物的生成将导致煤灰颗粒团聚、黏结成块、流化质量变差,严重时会出现排渣困难、甚至会出现停车事故,影响气化炉的连续稳定运行。为了确保煤催化气化加压流化床的稳定运行,不仅需要从宏观层面认识煤种、催化剂负载量、气氛、压力等因素对煤灰烧结特性的影响,更要在微观层面上深入理解矿物质的演化行为。本文以不同结渣程度的云南文山煤和鄂尔多斯煤为原料,碳酸钾为催化剂,利用加压压降法测定了不同气氛和压力下煤灰的烧结温度,建立了包含煤灰含量、灰组成、催化剂负载量及反应压力因素的煤灰烧结温度预测关系式。借助XRD分析和Factsage热力学计算软件,从矿物学角度对煤灰的矿物演变规律及不同矿物间可能发生的化学反应进行了探讨。主要结论如下: 1.在加压压降法烧结温度测试装置中,水蒸气气化条件下(H2O-CO-H2-CO2)考察了反应压力对负载催化剂煤灰的烧结温度的影响。结果表明,随着反应压力升高,两种煤灰的烧结温度均降低。在压力考察范围内(0.1-3.5MPa),水蒸气气化条件下负载催化剂的文山煤和鄂尔多斯煤的烧结温度分别降低了70℃和95℃。煤灰的烧结温度与煤灰中酸性氧化物与碱性氧化物的比值相关,负载催化剂的鄂尔多斯煤灰的酸碱比低于负载催化剂的文山煤,因此烧结温度更低,结渣趋势更明显。基于原煤的灰分、煤灰化学成分、催化剂负载量及操作压力对烧结温度的影响,建立了预测煤灰烧结温度(TS,P)的关系式。预测的烧结温度与试验测试值间的误差小于±2%,可为加压流化床气化炉适用原料的选择、催化剂负载量及气化炉最佳操作参数的确定提供依据。 2.利用XRD对不同煤灰中的晶体矿物进行了分析,结果显示,低温灰化制得原煤灰样中存在的主要晶体矿物是石英、硬石膏、方解石和赤铁矿。氮气环境下测试烧结温度后,煤灰中的主要晶体矿物未发生变化。水蒸气气化条件下,测试烧结温度过程中,硬石膏和赤铁矿被还原。负载碳酸钾的煤在低温灰化过程中,碳酸钾即与石膏反应生成硫酸钾,与方解石反应生成碳酸钾钙。在氮气气氛中,生成的碳酸钾钙在850℃下会发生分解反应。水蒸气气化气氛下,碳酸钾钙在低压下(0.1MPa)分解,但高压下(3.5MPa)不分解,可在XRD图谱中观察到明显的衍射峰。此外,水蒸气气化气氛下煤灰中的硫酸钾会发生还原反应。 3.利用Factsage热力学软件的计算结果表明,在低温灰化过程中,碳酸钾催化剂与煤中的石膏、碳酸钙反应,生成硫酸钾和碳酸钾钙,与石英、含铝矿物质反应生成K2Si2O5和KAlSiO4。对于煤灰中的晶体矿物,热力学计算的转化过程与XRD分析的结果相一致。水蒸气气化气氛下的计算结果显示,随反应压力的提高,碳酸钾钙石的分解温度几乎呈线性增大,0.1MPa下碳酸钾钙在675℃时即发生分解,730℃完全分解。当反应压力达到3.5MPa,790℃时碳酸钾钙才开始分解。随反应压力和温度的升高,负载催化剂的煤灰中氢氧化钾的含量逐渐增加,当氢氧化钾的含量达到一定值时,不同压力下对应的温度与测得的煤灰烧结温度基本相同。