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本文以气流床煤气化技术为背景,针对其高温、高压等特点,着重研究煤焦在高温、高压、不同反应气氛下的气化反应过程、特性、机理及动力学模型,主要内容如下：
(1)采用加压热重分析仪,在1000℃、01MPa～4.1MPa氮气气氛和氢气气氛下制得不同的神府煤焦,考察热解压力与热解气氛对煤焦结构和反应活性的影响；采用滴管炉与马弗炉在950℃～1400℃、常压条件下分别以1000℃/s、6℃/min的升温速率制得不同的神府煤焦,考察热解温度和升温速率对煤焦结构和气化反应活性的影响；借助扫描电子显微镜、X射线衍射仪和孔结构及比表面积分析仪等对煤焦的物理和化学性质进行研究。结果表明,煤在氮气气氛的加压热解过程中,煤焦颗粒的微孔被阻塞,制得的煤焦反应活性降低；随着气化反应的进行,微孔重新暴露出来,煤焦的反应活性逐渐恢复。煤在氢气气氛加压热解过程中会发生加氢反应,使制得的煤焦反应活性增加。实验还发现,不同热解条件下制得的煤焦表面结构、比表面积与孔径分布明显不同,热解压力和热解气氛对煤焦微晶结构影响不明显,而热解温度对煤焦微晶结构影响较大,慢速热解煤焦微晶结构比快速热解煤焦有序化程度深。
(2)在常压、970℃～1165℃下,用恒温热重分析法进行不同煤焦与CO2气化反应动力学研究。考察不同煤种、气化温度、灰分等对煤焦与CO2气化反应活性的影响,分析了不同气化动力学模型的特点,并用这些模型模拟煤焦与CO2气化反应过程。结果表明,煤灰分中所含的催化物质(如Na、Ca、K、Fe等)对煤焦反应活性影响较大,有加快煤焦气化速率的作用。采用三种不同模型对煤焦与CO2气化反应速率随碳转化率变化的曲线进行拟合,发现随机孔模型比混合模型及未反应芯缩核模型拟合效果好,该模型能比较精确地反映出气化反应速率达到最大值后下降的情况。
(3)考察了875℃～1050℃、0.1MPa～1MPa条件下,气化总压、水蒸汽分压和气化温度等对神府煤焦与水蒸汽气化反应的影响。结果表明,气化总压固定时,煤焦的气化速率随水蒸汽的分压增加而增加,加压条件下的气化反应受气化温度影响强烈。研究了常压、850℃～1000℃条件下不同热解条件的煤焦与水蒸汽和CO2气化反应的特性及关系,结果表明,神府快速热解煤焦与水蒸汽气化活性指数(Rs=0.5/T0.5,h-1)约是慢速热解煤焦的416倍,快速热解煤焦与水蒸汽气化的活性指数约是CO2气化的活性指数的7.15倍,慢速热解煤焦与水蒸汽气化的活性指数约是CO2气化的活性指数的9.94倍。并且,快速热解煤焦与水蒸汽和CO2气化反应速率随着气化反应的进行单调递减,而慢速热解煤焦则在碳转化率为35％左右时气化反应速率达到最大。
(4)分别以水蒸汽/氮气混合气、水蒸汽/氢气混合气作气化剂,在常压、850℃～950℃条件下,对气化过程中神府煤焦结构变化及气化反应特性进行研究,采用X射线衍射仪对神府煤焦化学结构进行分析。结果表明,煤焦与水蒸汽/氢气气化的反应过程分为两个阶段。煤焦的不定形碳结构发生的快速气化阶段,及煤焦的芳香碳结构发生的慢速气化阶段。延长气化反应时间,样品中仍含大量残碳。考察了常压、875℃～950℃条件下煤焦与水蒸汽/氮气和水蒸汽/氢气的气化反应速率随碳转化率变化规律。结果表明,煤焦与水蒸汽/氮气气化反应速率随碳转化率增加缓慢而均匀下降。煤焦与水蒸汽/氢气气化反应速率随碳转化率增加先迅速降低,后降低缓慢。利用随机孔模型的假设,引入抑制因子,提出新的气化动力学模型,此模型较好的模拟煤焦与水蒸汽/氢气的气化过程,相关系数大于0.99。
(5)在0.1MPa-3MPa、925℃～1050℃、不同CO2/CO气体浓度比(摩尔分数比为1:3～1:0)条件下,研究神府煤焦气化反应过程。结果表明：随着气化反应的进行,煤焦反应速率随反应进行和碳转化率的提高不断变化；利用随机孔模型和Langmuir-Hinshelwood动力学方程的假设,建立了加压气化动力学模型,可较好模拟煤焦加压气化反应过程并反映出气化条件(包括气体组成、压力、温度等)和煤焦结构变化对气化反应过程的影响。