Shell煤气化炉气氛下熔渣中金属铁析出及对其黏度影响的模拟研究
贺冲1
郭晶2
秦育红3
孔令学4
白进4
李文4
1.太原理工大学环境科学与工程学院,山西太原 030024;太原理工大学大气复合污染识别与控制山西省重点实验室,山西太原 0300242.太原理工大学安全与应急管理工程学院,山西太原 0300243.太原理工大学环境科学与工程学院,山西太原 0300244.中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室,山西太原 030001
摘要：气流床煤气化过程中,煤中无机矿物质升温熔融转变为熔渣,熔渣通过液态排渣单元连续排出炉外,因此熔渣良好的流动性(黏度)是气化炉长周期稳定运行的关键.我国高铁煤(煤灰中氧化铁的质量分数高于15％)分布广泛,比如内蒙古锡林浩特煤、河南义马煤、云南镇雄煤等.由于Shell煤气化炉内还原性气体(CO和H2)的总体积分数较高(＞86％),高铁熔渣在液态排渣过程中易发生金属铁析出,形成大的含铁渣块,导致气化炉无法顺畅排渣甚至非正常停车,因此深入研究Shell煤气化炉气氛下熔渣中金属铁的析出行为是高铁熔渣流动性调控的重要依据.基于此,以热力学模拟为基础,依据金属铁析出和团聚机理,结合熔渣结晶特性,建立熔渣中金属铁析出和团聚的动力学模型,并定量分析金属铁对熔渣结晶和黏度的影响.热力学模拟表明,Shell煤气化炉气氛下高铁熔渣发生金属铁析出,且氧化钙的质量分数增加促进金属铁析出.分别以熔渣中还原性气体扩散和金属铁沉降为速控步骤,建立金属铁析出和团聚的动力学模型;氧化钙的质量分数增加或者温度升高,熔渣黏度降低,促进熔渣中还原性气体扩散,金属铁的质量分数增加且易发生团聚.提出金属铁团聚的临界时间作为判断金属铁团聚的关键参数;降低气化炉排渣温度或减少氧化钙的质量分数,金属铁团聚临界时间增加,避免熔渣中金属铁团聚.将晶体体积分数的热力学平衡值引入结晶动力学模型(KJMA公式),获得金属铁对熔渣结晶和黏度的影响,发现金属铁析出促进钙长石结晶,熔渣黏度迅速增加;虽然较低排渣温度下钙长石的体积分数达到热力学平衡值所需时间更长,但黏度增加至排渣黏度上限25 Pa·s所需的时间更短.建议通过适当降低排渣温度,或添加富硅助剂,或与高硅煤共气化,可适当避免高铁熔渣中金属铁的析出和团聚,避免熔渣黏度突增和气化炉排渣不畅,有利于气化炉长周期运行.
关键词：气流床气化熔渣金属铁黏度动力学模型结晶
分类号：TQ54(煤炭气化工业)
资助基金：国家自然科学基金(22108190)国家自然科学基金(22078352)国家自然科学基金(21975172)
论文发表日期：2023-08-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：11( 3218-3228 )
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