Structural properties of residual carbon in coal gasification fine slag and their influence on flotation separation and resource utilization:A review

Coal gasification fine slag(FS)is a typical solid waste generated in coal gasification.Its current disposal methods of stockpil-ing and landfilling have caused serious soil and ecological hazards.Separation recovery and the high-value utilization of residual carbon(RC)in FS are the keys to realizing the win-win situation of the coal chemical industry in terms of economic and environmental benefits.The structural properties,such as pore,surface functional group,and microcrystalline structures,of RC in FS(FS-RC)not only affect the flotation recovery efficiency of FS-RC but also form the basis for the high-value utilization of FS-RC.In this paper,the characteristics of FS-RC in terms of pore structure,surface functional groups,and microcrystalline structure are sorted out in accordance with gasification type and FS particle size.The reasons for the formation of the special structural properties of FS-RC are analyzed,and their influence on the flotation separation and high-value utilization of FS-RC is summarized.Separation methods based on the pore structural characterist-ics of FS-RC,such as ultrasonic pretreatment-pore-blocking flotation and pore breaking-flocculation flotation,are proposed to be the key development technologies for improving FS-RC recovery in the future.The design of low-cost,low-dose collectors containing polar bonds based on the surface and microcrystalline structures of FS-RC is proposed to be an important breakthrough point for strengthening the flotation efficiency of FS-RC in the future.The high-value utilization of FS should be based on the physicochemical structural proper-ties of FS-RC and should focus on the environmental impact of hazardous elements and the recyclability of chemical waste liquid to es-tablish an environmentally friendly utilization method.This review is of great theoretical importance for the comprehensive understand-ing of the unique structural properties of FS-RC,the breakthrough of the technological bottleneck in the efficient flotation separation of FS,and the expansion of the field of the high value-added utilization of FS-RC.

Effective separation of coal gasification fine slag: Role of classification and ultrasonication in enhancing flotation

Effective separation of residual carbon and ash is the basis for the resource utilization of coal gasification fine slag(CGFS).The conventional flotation process of CGFS has the bottlenecks of low carbon recovery and high collector dosage.In order to address these issues,CGFS sample taken from Shaanxi,China was used as the study object in this paper.A new process of size classification-fine grain ultrasonic pretreatment flotation(SC-FGUF)was proposed and its separation effect was compared with that of wholegrain flotation(WGF)as well as size classification-fine grain flotation(SC-FGF).The mechanism of its enhanced separation effect was revealed through flotation kinetic fitting,flotation flow foam layer stability,particle size composition,surface morphology,pore structure,and surface chemical property analysis.The results showed that compared with WGF,pre-classification could reduce the collector dosage by 84.09%and the combination of pre-classification and ultrasonic pretreatment could increase the combustible recovery by 17.29%and up to 93.46%.The SC-FGUF process allows the ineffective adsorption of coarse residual carbon to collector during flotation stage to be reduced by pre-classification,and the tightly embedded state of fine CGFS particles is disrupted and surface oxidizing functional group occupancy was reduced by ultrasonic pretreatment,thus carbon and ash is easier to be separated in the flotation process.In addition,some of the residual carbon particles were broken down to smaller sizes in the ultrasonic pretreatment,which led to an increase in the stability of flotation flow foam layer and a decrease in the probability of detachment of residual carbon particles from the bubbles.Therefore,SCFGUF could increase the residual carbon recovery and reduce the flotation collector dosage,which is an innovative method for carbon-ash separation of CGFS with good application prospect.

Multiscale analysis of fine slag from pulverized coal gasification in entrained-flow bed

Fine slag(FS)is an unavoidable by-product of coal gasification.FS,which is a simple heap of solid waste left in the open air,easily causes environmental pollution and has a low resource utilization rate,thereby restricting the development of energy-saving coal gasification technologies.The multiscale analysis of FS performed in this study indicates typical grain size distribution,composition,crystalline structure,and chemical bonding characteristics.The FS primarily contained inorganic and carbon components(dry bases)and exhibited a"three-peak distribution"of the grain size and regular spheroidal as well as irregular shapes.The irregular particles were mainly adsorbed onto the structure and had a dense distribution and multiple pores and folds.The carbon constituents were primarily amorphous in structure,with a certain degree of order and active sites.C 1s XPS spectrum indicated the presence of C–C and C–H bonds and numerous aromatic structures.The inorganic components,constituting 90%of the total sample,were primarily silicon,aluminum,iron,and calcium.The inorganic components contained Si–O-Si,Si–O–Al,Si–O,SO_(4)^(2−),and Fe–O bonds.Fe 2p XPS spectrum could be deconvoluted into Fe 2p_(1/2) and Fe 2p_(3/2) peaks and satellite peaks,while Fe existed mainly in the form of Fe(III).The findings of this study will be beneficial in resource utilization and formation mechanism of fine slag in future.

Cleaner geopolymer prepared by co-activation of gasification coal fly ash and steel slag:durability properties and economic assessment

Geopolymer is a material with high early strength.However,the insufficient durability properties,such as long-term strength,acid-base resistance,freeze-thaw resistance,leaching toxicity,thermal stability,sulfate resistance and carbonation resistance,restrain its practical application.Herein,a longterm stable geopolymer composite with high final strength(ASK1)was synthesized from shell coal gasification fly ash(SFA)and steel slag(SS).Additionally,a geopolymer composite with high early strength(ASK2)was also synthesized for comparison.The results showed that ASK1 exhibited better performance on freezing-thawing resistance,carbonization resistance and heavy metals stabilization compared to the ASK2 at long-term curing.Raising the curing temperature could accelerate the unconfined compressive strength(UCS)development at initial curing ages of 3 to 7 d.Both ASK1 and ASK2 exhibited excellent acid-base and sulfate corrosion resistance.An increase for UCS was seen under KOH solution and MgSO_(4)solution corrosion for ASK1.All leaching concentrations of heavy metals out of the two geopolymers were below the standard threshold,even after 50 freezingthawing cycles.Both ASK1 and ASK2 geopolymer concrete exhibited higher sustainability and economic efficiency than Portland cement concrete.The result of this study not only provides a suitable way for the utilization of industrial solid waste in civil and environmental engineering,but also opens a new approach to improve the long-term stabilities of the geopolymers.

Slagging Characteristics and Optimization of Operating Temperature on High-Alkali Coal Gasification

In order to mitigate the slagging risks of high-alkali coal (HAC) gasification while optimizing the operating temperatures for practical application,the experimental and calculational works were performed on the horizontal tubular furnace system and the FactSage 7.2 software,respectively.The slagging tendencies of three HACs were anticipated by applying different indexes of ash chemistry characteristics prior to experiments,but the determined results were found inconsistent.The relationship between Na retained ratio (RNa) and the ash fusion temperatures (AFTs) of gasification residues demonstrated that the AFTs of coal with high RNa are low,while AFTs of coal with low RNa are high.Nevertheless,when the residues contained a large number of calcium-containing silicates and aluminosilicates,the ATFs were reduced significantly even if its RNa stayed at a low level.Furthermore,the operating temperatures of the three coals (in order of Mulei coal,Shaerhu coal,and Tietou coal) were suggested to be controlled below 1150℃,1100℃,and 950℃,respectively.

超声空化-流体剪切协同强化油团聚分选煤气化细渣

煤气化细渣(CGFS)具有较高的利用价值,但残炭回收率低极大地制约了其资源化利用。油团聚分选法在CGFS分选过程中具有明显优势,但炭灰共生结构严重限制了油团聚分选效率。为突破油团聚法分离富集残炭技术的瓶颈问题,考察了超声时间、超声功率、流体剪切时间及其交互作用对油团聚分选效果的影响,并结合BET、粒度分布、FT-IR、XPS以及SEM-EDS等分析手段,揭示了超声空化-流体剪切(UC-FS)协同预处理对油团聚分选效果的强化机理。结果表明:当超声功率为270 W、超声处理时间29 min、流体剪切时间23 min时,能分选得到灰分为9.55%的精矿、灰分为91.51%的尾矿,可燃体回收率可提高至90.54%。超声空化作用使原本致密的炭灰结构逐渐松散,与流体剪切的冲刷作用协同促进CGFS的孔隙结构的发展,使炭灰颗粒解离度增加,从而降低了精矿灰分。UC-FS协同预处理能够有效增加残炭表面C—C、C=C以及C—H等疏水基团的比例,使其接触角由110.34°增加到121.16°,扩大了炭和灰颗粒表面疏水性差异,提高了油团聚分选的效果。UC-FS协同预处理使炭灰颗粒高效分离的强化作用主要归因于超声空化气泡与细粒微球耦合产生的微磨料效应。可为实现CGFS分质资源化利用提供理论基础和技术指导。

煤气化细渣水热合成多孔材料及对氨氮的吸附性能研究

为了拓展煤气化细渣高值化利用途径,采用碱溶水热法制备多孔复合吸附材料。通过调控碱浓度、水热时间、温度、搅拌时间等因素探究其对复合材料结构性能的影响规律,并通过分析不同制备条件下复合吸附材料的物相组成、表观形貌、孔隙结构,明晰复合材料与其对氨氮吸附能力的构效关系。结果表明:复合材料生成了以P型沸石为主要晶相的沸石结构。当碱浓度为2 mol/L、水热时间为30 h,水热温度为100℃,搅拌时间为10 min制备的复合材料的氨氮吸附量最高,当氨氮初始浓度为100 mg/L、吸附时间为5 h时,复合材料对氨氮的平衡吸附量达到15.65 mg/g。吸附材料对氨氮的等温吸附特性符合Langmuir方程,且反应过程符合准二级动力学方程。热力学分析表明煤气化细渣对氨氮的吸附为自发、吸热及熵增反应。

MO捕收剂对煤气化细渣浮选性能的影响

这是一篇矿物加工工程领域的文章。煤气化细渣的综合利用是现阶段的一大发展方向。煤气化细渣孔隙发达且含氧基团丰富,使得煤油等传统捕收剂难以回收其中的残炭。将油酸甲酯和煤油复配得到的药剂MO进行浮选实验,并通过激光粒度仪、红外光谱分析、接触角分析、XPS分峰拟合等手段进行机理探讨。结果表明,当MO药剂用量提高到16 kg/t时,尾矿烧失量降低到7.12%,可燃体回收率超过95.63%。MO药剂引入了极性基团酯基,其可以降低煤油表面的界面张力,增强捕收剂在水中的分散作用,从而增加残炭颗粒与捕收剂液滴的接触面积与碰撞概率,进而提高残炭颗粒的疏水性和可浮性。通过接触角分析不同药剂作用下残炭表面的疏水性,解释其与精矿产率的关系。通过XPS分析说明,MO与残炭表面的含氧官能团作用,能够在残炭的亲水位点形成有效的覆盖层,使得疏水部分朝外,降低了水化作用,增加了接触概率,增加该煤气化细渣的表面疏水性。MO药剂的使用为煤气化固体废弃物的综合利用提供了一种新途径。

基于高效解离-选择性絮凝耦合作用的煤气化渣提炭实验研究

煤气化渣是由煤气化工艺产生的一种富含铝硅酸盐、灰组分及残炭的大宗工业固体废弃物,其规模化生产对生态环境造成了严重的影响。因此,将煤气化渣进行炭-灰分离是实现其减量化、无害化和资源化利用的关键。以煤气化渣为研究对象,采用高效解离-选择性絮凝耦合作用的工艺,为实现煤气化渣更为合理、高效的资源化利用,减少煤气化渣带来的土壤、空气、水体资源等污染问题,对煤气化渣进行提炭实验研究。首先分析了煤气化渣的理化性质,其次采用单因素变量法探究了磨矿时间、pH、絮凝剂种类、絮凝剂用量、高速剪切转速对煤气化渣提炭实验的影响,以实现残余炭产品的高度富集。结果表明:原煤气化渣灰分质量分数为67.19%,普通湿筛筛上物料灰分质量分数为54.3%,当煤气化渣磨矿时间为5 s, pH为7,絮凝剂聚氧化乙烯用量为0.4 kg/t,在转速为4 000 r/min高速剪切15 min的条件下提炭效果最佳,最终可获得产率为26.6%、湿筛筛上灰分质量分数为43.3%的残炭产品。对比普通湿筛法,基于高效解离-选择性絮凝实验方法在普通湿筛的基础上灰分质量分数降低了11%,降灰效果明显。

煤气化细渣高炭组分超声强化酸浸法制备多孔材料

煤气化细渣是煤炭清洁高效利用的副产物之一,其资源化应用迫在眉睫。通过简单筛分得到固定碳含量高于60%的高炭组分,并以此为原料,采用超声酸浸法制备多孔材料。以核废水中放射性碘的吸附处理为应用背景,用碘吸附值表征多孔材料的吸附性能。结合SEM、BET、XRD和FT-IR等性质和结构分析方法,系统研究了超声时间、超声功率、酸浓度和温度对多孔材料碘吸附性能和组成结构的影响规律;并探讨了超声强化酸浸对残炭的组成结构的影响机制和灰成分的迁移转化规律,总结出超声强化酸浸作用机理。结果表明,煤气化细渣高炭组分在酸浓度为4 mol/L、酸浸温度为50℃、超声功率为210 W,超声时间1.5 h的条件下,所制备多孔材料的碘吸附性能最佳,为468.53 mg/g,比表面积达到474.97 m^(2)/g,且具有以介孔为主的丰富孔隙结构。各因素对多孔材料碘吸附性能影响的顺序为:超声时间>酸浓度>超声功率>酸浸温度。超声强化酸浸作用机理是超声空化和机械波作用一方面强化炭灰黏附颗粒的解离,使堵塞在气化细渣孔道内的灰颗粒脱附,增加孔隙结构的连通性;其次,会导致炭灰颗粒表面裂纹的产生,增强碳颗粒内部无机组分的可及性;第三,能够提高酸浸过程的传质速率,强化气化细渣中的无机组分的浸出效果。

煤基灰/渣的大宗固废资源化利用现状及发展趋势

近年来,煤炭工业快速发展,为国民经济运行提供了重要能源保障和原料支撑,与此同时,燃煤电厂、工业和民用锅炉等设备在煤燃烧和气化工艺过程中,产生大量的煤基灰/渣(粉煤灰、燃煤炉渣、气化渣)等工业固体废弃物,对生态环境造成了较大影响。以粉煤灰和气化渣为代表的煤基灰/渣为例,我国每年排放约8亿t粉煤灰和3500万t气化渣,但是受限于国家能源结构、产业政策等因素的影响,以及煤基灰/渣的资源分布、产地性质的制约,目前,煤基灰/渣的高效资源化利用率还有待提升,其中,粉煤灰的综合利用率为70%、气化渣的综合利用率仅为30%,未来我国大宗固废仍存在产量大、资源利用不充分、综合利用产品附加值低等困境。因此,进一步提升大宗固废综合利用水平,全面提高资源利用效率,积极落实国家“碳达峰”和“碳中和”相关政策,完成煤炭工业“十四五”发展规划中相关工作,是当前煤炭开发利用需面对的重要问题。基于此,针对煤基灰/渣的性质,开展了大量的探索,如分级、分选、提质等技术研究,开发了具有针对性的工艺技术及装备,部分实现了煤基灰/渣的大宗固废资源化利用和高附加值利用。鉴于煤基灰/渣具有比表面积大、孔隙结构发达、含碳量偏高、铝硅含量丰富等特性,目前已经作为原料广泛应用于建工建材、环保、生态、化工等领域。文章分别从大宗固废资源化利用和深加工高附加值利用两个方面对煤基灰/渣进行了阐述。①建工建材等应用领域仍是提升煤基灰/渣大宗固废资源化利用的重要方向,但由于煤基灰/渣资源化利用存在脱碳与炭−灰分离技术装备有待完善、脱水与干燥困难、重金属可能存在沉淀等问题,后续有待深入研究;②提取有用组分并用于功能性碳材料制备、环境污染治理等领域可实现煤基灰/渣深加工高附加值利用,但需对生产工艺环节中产生的酸碱性或重金属废液进行有效处理,从而减少对环境的污染。针对煤基灰/渣在大宗固废资源化利用中所存在的问题,探讨了其未来发展趋势,以期为煤基灰/渣的大宗固废资源化利用以及煤化工行业高端化、低碳化、绿色化发展提供借鉴与参考。

新型除磷填料的制备及再生能力试验

以沸石、粉煤灰和煤气化渣为原材料,制备一种低成本、高效的新型除磷填料,对其吸附性能以及再生能力进行探究,并对填料吸附磷前后的微观形貌、元素组成以及晶体结构等变化进行分析。研究结果表明,填料主要组成为O、Si、Ca、Al、Fe、Mg,其中Ca元素质量分数最高;吸附后填料表面变得光滑平整,EDS和XRD分析表明Ca元素在吸附过程中发挥重要作用;在磷质量浓度为50 mg/L、吸附剂投加量为14 g/L的条件下,新型除磷填料对磷的去除率达到了80%,吸附性能相较于原材料明显提高;在pH=1和pH=13的条件下,填料对磷的释放率分别为142.39%和83.26%,酸性条件的解吸效果明显优于碱性条件,表明强酸/强碱有利于磷从填料中释放出来;再生能力实验研究显示,经过4次再生后,酸性再生后的填料对磷的去除率明显低于碱性再生;在实际应用中碱性再生1~2次时,填料对磷的去除率在60%以上,具有较高的再生回用可能性。

镁渣对水煤浆气化细渣中炭组分灰熔融特性的影响

煤气化灰渣的规模化处置与利用对于煤化工高质量发展和煤炭行业的低碳转型至关重要。制备煤气化灰渣基多孔陶瓷材料是实现煤气化灰渣绿色化、高端化、规模化消纳的重要途径。然而,烧结温度过高仍然制约着煤气化灰渣基多孔陶瓷的规模化开发,通过调变煤气化灰渣灰熔融特性来降低烧结温度是多孔陶瓷制备的关键。为此,选取某水煤浆气化细渣的中炭组分(medium-carbon components,MCC)为研究对象,以镁渣为添加剂,利用X射线衍射、X射线荧光光谱、扫描电镜和FactSage热力学模拟计算等手段,研究了高温时MCC矿物组成演变规律,以及镁渣对MCC灰熔融温度和灰黏度的影响机理。结果表明:MCC主要矿物组成为石英、方解石和白榴石等,高温下MCC矿物组成会向低熔点钙长石和透辉石转化;镁渣主要成分为CaO和SiO2,以方解石、石英和菱镁矿等矿物形态存在;随着镁渣质量分数增加,MCC灰熔融温度呈先减小后增大趋势,向MCC中添加5%(质量分数,下同)和10%镁渣可促进混合样品中高熔点矿物质向低熔点钙长石-辉石体系转化,长石和辉石生成低温共熔体使体系灰熔融温度降低;此外,CaO和MgO等碱土金属氧化物对硅铝酸盐网状结构的解聚作用,使MCC临界黏度温度降低,黏度对温度的响应更快。

煤气化细渣基吸附剂的CO_(2)吸附性能

吸附法是碳捕集的主要途径之一。氨基功能化多孔材料作为重要的CO_(2)吸附剂,通常以价格高昂的介孔分子筛为载体,这极大地限制了吸附法的规模化应用。因此,降低载体成本对于碳捕集有着重要的现实意义。使用盐酸处理煤气化细渣(FS)制得酸浸渣材料(AFS),进一步嫁接3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)制备氨基功能化CO_(2)吸附材料(AFS-A-x)。利用热重分析(TG-DTG)、傅立叶变换红外光谱分析(FTIR)和低温N2吸脱附等方法对样品进行表征,利用高压气体吸脱附仪(PCTPro)考察FS,AFS和AFS-A-x的CO_(2)吸附性能,建立等温吸附模型,并计算等量吸附热。结果表明:相较于FS,AFS的硅羟基含量更高,孔隙结构更丰富,更适合做嫁接原材料。在60℃,0.1 MPa的吸附条件下,AFS-A-3材料的CO_(2)吸附量较AFS材料的CO_(2)吸附量提高了19.6%,达到0.61 mmol/g,在30℃~70℃的温度范围内,AFS-A-3的吸附性能随温度上升而下降;相同条件下,在低压段(0 MPa~0.015 MPa)AFS-A-3的吸附能力明显高于AFS的吸附能力,说明AFS-A-3在低CO_(2)分压条件下有更高的应用潜力;经过十次吸脱附循环后,AFS-A-3在60℃,0.1 MPa条件下对CO_(2)的吸附量下降了5%;AFS和AFS-A-3的等温吸附曲线可用Langmuir模型较好描述。相比于AFS,嫁接改性的AFS-A-3对CO_(2)的等量吸附热明显增加,据此推断吸附类型由物理吸附主导转变为物理吸附与化学吸附共同作用。

气流床煤气化细渣分级浮选及EDLVO理论分析

煤气化渣是煤气化过程中产生的固体废弃物,其资源化利用制约着现代煤化工产业绿色、低碳发展。煤气化细渣粒度细、质量小、动量低的特点造成浮选过程中高灰分微细矿物在浮选泡沫产品中的夹带,严重影响了浮选精炭产品质量。本文采用分级浮选的工艺对煤气化细渣进行了浮选条件优化。+0.045mm粒度级煤气化细渣采用载体浮选,研究了载体添加比例对浮选效果的影响。结果表明,提高载体添加量可显著增强浮选效果,在设计实验条件下,浮选完善度达到71.53%,浮选精炭产品可燃体回收率为87.57%,相较于未添加载体的常规浮选方法提高了20.57%。通过EDLVO理论计算了载体颗粒与煤气化细渣颗粒间的相互作用力,载体浮选过程中,载体颗粒与煤气化渣残炭颗粒之间的静电作用力表现为吸引力,容易发生黏附行为,促进了微细颗粒的团聚,提高了浮选效果。-0.045mm粒度级采用絮凝浮选的方法,随絮凝剂用量的增加,颗粒絮团体积增大,-0.045mm粒度级浮选完善度呈先增大后减小的趋势,最高为39.61%,浮选精炭产品灰分降低不明显。絮团图像分析表明,絮凝剂的加入促进了颗粒之间的团聚,增大了颗粒的表观粒度。但非选择性团聚导致浮选精炭产品灰分偏高,后续应进一步提高絮凝选择性。本研究提出的煤气化渣分级浮选工艺对于降低微细粒高灰颗粒对浮选精炭的夹带作用,进一步提高精炭产品质量具有一定的理论指导意义。

含钙镁煤基固废CO_(2)矿化封存及其产物性能研究进展

随着化石碳资源的过度消耗,导致CO_(2)等温室气体的大量排放,全球气候变化已经成为全人类面对的重大挑战之一,同时,煤炭资源开发利用过程中会产生大量的粉煤灰、脱硫石膏等含钙镁煤基固废。如何实现CO_(2)高效捕集与封存是当下面临的极具挑战性课题,粉煤灰、煤气化灰渣等大宗重污染工业固废的大规模综合利用仍亟待突破。在“双碳”目标下,利用煤基固废矿化封存CO_(2)是一项具有巨大潜力的高效应对全球变暖的策略,利用含钙镁煤基固废进行矿物碳酸化对于二氧化碳捕集与封存(CCS)以及固废的资源化处置都具有很大前景。然而,它的工业应用瓶颈依旧无法突破。综述了以典型煤基固废粉煤灰(FA)、脱硫石膏(FGDG)以及煤气化灰渣(CGS)为原料的CO_(2)矿化技术的发展现状,旨在探讨其技术局限性的原因。首先,简要阐述了煤基固废CO_(2)矿化的途径,揭示了煤基固废CO_(2)矿化反应过程和原理。其次,重点讨论了典型煤基固废的矿化潜力和工艺,明晰CO_(2)矿化过程中工艺参数对产物性能的调控机理。最后,总结了煤基固废CO_(2)矿化产物的性能并且利用全生命周期评估(Life Cycle Assessment,LCA)阐明矿化工艺的可行性及其对环境的影响。研究将对煤基固废CO_(2)矿化的工艺技术提供优化建议,以期推动煤炭工业的低碳转型战略目标。

煤气化细渣及其分离后富碳组分的气化反应性

随着气流床煤气化技术在我国煤化工产业的广泛应用,煤气化后生成的气化细渣排放量逐年增加,目前气化细渣的资源化利用已成为煤化工固废治理的难题之一。选取不同碳含量的气化细渣及其分离后富碳组分为研究对象,解析了其组成、孔隙结构和微观形貌等结构参数,基于热重分析仪探究了其在CO_(2)气氛下的气化反应性,并采用等转化率法分析了气化反应动力学,揭示了煤气化细渣及其富碳组分结构特性与其气化反应性的内在关联。结果表明:孔隙结构是影响气化细渣及其富碳组分气化反应性的关键因素,孔结构发达的样品具有更高的气化反应性。随气化过程升温速率升高,气化细渣及其富碳组分的气化反应区间均向高温偏移。此外,具有相对较高固定碳含量的气化细渣、富碳组分气化反应活化能随转化率升高而降低,而样品本身高灰分气化细渣、富碳组分的气化反应活化能随转化率的增大而升高。研究结果为气化细渣及其分离后富碳组分的资源化利用提供理论指导。

煤气化细渣疏水-亲水双液炭/灰分离实验

这是一篇矿业工程领域的论文。煤气化细渣是煤气化过程中产生的一种固体废物,其中残炭严重制约了其资源化利用,从煤气化细渣中提取残炭是一个紧迫的问题。本研究应用疏水-亲水双液分离技术来提取煤气化细渣中残碳,其主要的影响因素有搅拌速度、搅拌时间、疏水液体用量、矿浆浓度、矿浆温度和疏水液体种类。疏水-亲水双液分离技术对煤气化细渣有优异的提碳降灰效果,其碳产品的灰分可达30%以下,灰质产品的灰分可达95%以上。通过表征分析揭示了分离机理,结果表明残炭对煤油的吸附强度远超灰质,使得煤油处理过的残炭疏水性大幅度增加,容易被油相捕获。本研究可为煤气化细渣的高效提碳降灰提供重要指导,有助于实现煤气化固废的综合利用。

流化床中煤气化细渣高温还原磷石膏过程

磷石膏(PG)是世界上重要的工业固体废物之一,其传统的储存方法占用了大片土地,也破坏了环境。采用热化学方法将PG还原为CaS和CaO不仅可以变废为宝,而且缓解了环境污染。常见的还原剂主要是褐煤和硫黄等,然而上述还原剂存在成本较高的缺点。因此本文提出采用煤气化细渣(CGFS)来还原PG。通过热力学计算、流化床实验和动力学计算,探讨了还原行为和反应机理。首先,热力学计算表明CGFS还原PG完全可行。流化床实验发现当目标产物为CaS时,最优化的反应条件为温度应保持在850~900℃,C/Ca摩尔比为2~3,在该条件下,PG可以完全分解。当目标产物为CaO时,温度应保持在950~1000℃,C/Ca摩尔比为0.5~1,但在该条件下PG难以完全分解。此外CGFS中的矿物组分会显著影响PG的分解率,该过程主要是和CGFS的反应活性有关。接着通过比较四种常见的碳基还原剂发现,褐煤对PG的分解效率最高,细渣和焦炭相比于石墨具有较高的反应活性,也有利于PG的分解过程。此外提高C/Ca摩尔比和反应温度能够降低石墨与其他三种还原剂的差距。最后动力学研究表明,CGFS还原PG过程符合缩核反应模型,其动力学机理函数G(α)=-ln(1-α),表观活化能为415.78~456.83kJ/mol。通过SEM-EDS发现反应是从边界开始,逐渐扩散到核心,最终形成蜂窝结构。本研究将为开发环境友好型还原剂分解PG提供理论依据。

气流床气化细渣与煤的共燃特性和交互作用

气流床气化细渣(FS)含碳量较高,将其与煤掺烧有望实现FS的资源化利用。文章选用三种不同煤阶的煤与FS为原料,利用热重分析仪研究了两种原料的共燃特性、交互作用和动力学。结果表明:添加三种不同煤阶的煤均能改善FS的综合燃烧性能,当煤的添加比例为80%时,无烟煤对FS的引燃作用和燃尽性能改善较弱,烟煤和褐煤可将FS的着火点分别降低137℃和180℃,燃尽温度降低118℃和132℃,稳燃性指数较FS单独燃烧分别提高了38%、78%、81%;无烟煤因其挥发分含量低和FS之间几乎没有交互作用,该反应过程所需活化能高达148 kJ/mol,随着烟煤和褐煤添加量的增加,共燃体系的失重峰逐步由双峰转变为单峰,煤中大量挥发分的释放使煤与FS共燃过程趋于同步化,褐煤与FS交互作用更加明显,烟煤和褐煤与FS共燃体系所需活化能最高分别仅需71 kJ/mol和57 kJ/mol;基于原位高温热台显微镜和图像处理技术解耦了900℃下共燃体系中煤中挥发分对FS碳转化率的贡献率,其中,无烟煤体系中的FS颗粒面积收缩率最低,仅为65%,而烟煤和褐煤因其较高的挥发分,使得体系中的FS颗粒面积收缩率较高,分别达78%和87%。本研究为煤与气流床气化细渣共燃技术的开发提供了理论指导。