加压粉煤气化渣的物理化学性质、热转化性能及动力学特性

《Waste Management》：The physicochemical properties, thermal conversion performance, and kinetic characteristics of pressurized pulverized coal gasification slag

高压气化细渣的碳捕集与二次气化应用研究。通过分析细渣的物理化学性质及在CO2/Ar环境中的热转化性能，发现其平均粒度（33.9μm）和比表面积（1.75倍原煤）优于煤矸石，且在低温（<910℃）下碳转化率更高，可作为二次气化原料实现资源化利用。

　　压燃型煤粉气化技术作为一种高效且清洁的煤资源转化方式，已被广泛应用于实际生产中，并受到持续推广。然而，尽管该技术在提高能源利用效率和减少污染物排放方面表现出色，但在其运行过程中仍然会产生大量细渣。细渣作为气化过程的副产物，其处理和利用一直是一个重要的研究课题。目前，细渣的处理主要依赖于填埋，这种方式不仅造成严重的环境污染，也导致大量资源的浪费。因此，探索细渣的再利用途径，尤其是通过能量回收和再气化等方式，成为当前研究的重点。

细渣的结构特性与反应行为对其再利用具有重要影响。通过对其物理化学性质的研究，可以更好地理解其在不同反应环境下的行为表现。与原煤相比，细渣的平均粒径略小，这使其具有更高的比表面积，从而增强了其对反应气体的吸附能力。此外，细渣中残留的碳含量较高，这也为后续的再气化或燃烧利用提供了可能性。通过热重分析实验，研究者发现，压燃型气化细渣在碳含量为28.80%的情况下，其反应特性与原煤衍生的煤焦相似。在加热速率为15℃/min的条件下，当温度低于910℃时，高碳细渣的转化率甚至超过了煤焦。这一发现表明，压燃型气化细渣具有较高的再气化潜力，可以作为二次气化的原料。

在现代煤炭化学工业中，尽管气化技术已经取得了显著进展，但气化过程中仍然会产生大量的固废。这些固废主要分为粗渣和细渣两种形式。粗渣通常在气化炉冷却后以熔融状态排出，而细渣则在洗涤过程中以飞灰的形式被收集。中国气化灰渣的累计存量已达到数百亿吨，并且仍在以每年3500万吨的速度快速增长。其中，细渣占固体废弃物的30%至70%。目前，细渣的处理方式主要为填埋，这种方式不仅不利于环境保护，也造成了资源的浪费。因此，寻找更加高效、环保的细渣处理和利用方法，成为当前研究的重要方向。

压燃型气化细渣的组成较为复杂，其中不仅含有未反应的碳，还包含多种无机矿物成分。这些成分直接影响其在后续反应过程中的化学活性。相比于常压气化产生的细渣，压燃型气化细渣的碳含量较低，而其石墨化程度较高。这一特性使得压燃型气化细渣在燃烧或气化过程中表现出独特的反应行为。目前，已有研究对细渣的燃烧特性进行了探讨，尤其是在不同氧气浓度下的燃烧行为。然而，关于其在二氧化碳气氛下的气化特性，研究相对较少。气化过程不仅可以利用细渣中的碳，还能实现二氧化碳的资源化利用，从而达到碳捕集的目的。这一特性使得压燃型气化细渣的再气化利用具有重要的环境和经济价值。

为了更深入地了解压燃型气化细渣的反应特性，本研究采用了一系列物理化学分析方法，包括激光粒度分析仪、红外光谱仪和拉曼光谱仪，对细渣的粒径分布、表面结构和化学成分进行了系统分析。同时，通过热重分析实验，研究者还对 Shenmu 煤焦和气化细渣在二氧化碳气氛下的反应动力学进行了探讨。实验结果表明，压燃型气化细渣在二氧化碳气氛下的反应行为与煤焦存在一定的相似性，且在一定温度范围内表现出更高的反应活性。这些研究结果为压燃型气化细渣的资源化利用提供了重要的理论依据和技术支持。

此外，本研究还对比分析了不同气化细渣样品的物理化学特性。实验表明，FS1 和 FS2 这两种不同规模气化炉产生的细渣在粒径分布和化学成分上存在一定的差异。FS1 的粒径分布呈现出明显的双峰特征，而 FS2 和煤粉的粒径分布则更接近于正态分布，这说明 FS2 与煤粉在物理特性上具有更高的相似性。通过对这些样品的进一步研究，可以更好地理解其在不同反应条件下的行为，从而为优化细渣的再利用技术提供依据。

在实际应用中，压燃型气化细渣的再利用面临着诸多挑战。首先，细渣的粒径较小，这在一定程度上影响了其在燃烧或气化过程中的反应效率。其次，细渣中残留的碳含量虽然较高，但其燃烧特性仍然受到多种因素的影响，如灰分含量、挥发分含量以及石墨化程度等。因此，为了提高细渣的再利用效率，需要对其进行适当的预处理，以改善其物理化学性质。例如，通过物理方法如浮选、重力分离和静电分离等，可以有效去除细渣中的杂质，提高其纯度和反应活性。

近年来，一些研究者尝试通过化学方法对细渣进行改性，以提高其在燃烧或气化过程中的性能。例如，通过添加氢碳油等物质，可以降低细渣的着火温度，提高其燃烧效率。此外，通过蒸汽活化等方法，可以增强细渣的反应活性，使其在气化过程中更有效地与二氧化碳发生反应。这些改性方法不仅有助于提高细渣的再利用价值，还能减少其对环境的污染。然而，这些技术目前仍处于实验室研究阶段，尚未实现大规模应用。

在实际工程应用中，细渣的燃烧或气化处理通常采用循环流化床锅炉、回转窑或气化炉等设备。这些设备能够有效处理细渣，并将其转化为有价值的能源或化学品。然而，当前的处理技术仍然存在一定的局限性。例如，循环流化床锅炉虽然能够处理细渣，但其处理能力有限，且对细渣的碳含量要求较高。回转窑虽然能够实现高温处理，但其能耗较大，且处理成本较高。气化炉则能够实现细渣的高效气化，但其操作条件较为复杂，且对原料的粒径和碳含量有较高的要求。

因此，为了实现细渣的高效利用，需要进一步探索其在不同反应条件下的行为特性。通过系统研究细渣的燃烧和气化特性，可以为优化其处理技术提供理论支持。同时，还需要结合实际情况，开发适合大规模应用的处理工艺。例如，可以尝试将细渣与原煤混合燃烧，以提高其燃烧效率和资源利用率。此外，还可以探索细渣在不同气氛下的气化行为，以实现碳捕集和二氧化碳资源化利用的目标。

总的来说，压燃型气化细渣的再利用具有重要的现实意义和研究价值。通过对细渣的物理化学性质进行深入研究，可以更好地理解其在不同反应条件下的行为表现，从而为开发高效的细渣处理技术提供理论依据。同时，结合实际应用需求，探索适合大规模利用的处理方法，对于实现煤炭资源的高效、清洁利用具有重要意义。未来，随着研究的不断深入和技术的不断进步，压燃型气化细渣的再利用将有望成为煤炭工业可持续发展的重要途径之一。