煤催化氣化工藝中內蒙王家塔煙煤灰燒結溫度的影響因素分析

毛燕東，金亞丹，李克忠，畢繼誠，李金來，辛峰

?

煤催化氣化工藝中內蒙王家塔煙煤灰燒結溫度的影響因素分析

毛燕東1,2，金亞丹2，李克忠2，畢繼誠2，李金來2，辛峰1

(1天津大學化工學院，天津 300072；2新奧科技發展有限公司集團煤基低碳能源國家重點實驗室，河北廊坊 065001)

煤催化氣化工藝中堿金屬催化劑的引入加劇了氣化爐的結渣，直接影響了流化床氣化爐結渣的正常操作。煤灰的燒結特性是流化床氣化爐結渣的主要影響因素之一，通過摸索工藝條件使煤氣化在燒結溫度以下運行，可有效避免流化床氣化爐內出現結渣問題。利用壓差法測定燒結溫度，結合灰渣的XRD分析結果系統研究了鉀基堿金屬催化劑的添加量、操作壓力、反應氣氛對王家塔煙煤低溫灰化煤灰燒結溫度的影響。結果表明，碳酸鉀催化劑的添加明顯降低了煤的灰熔點及燒結溫度。0.1～3.5 MPa下，燒結溫度隨壓力增大而降低，而且壓力對燒結溫度的影響在高壓區更為明顯，具體影響規律與煤種灰成分及鉀基堿金屬催化劑的添加有關。空氣、CO2氧化性氣氛下的燒結溫度較高，N2惰性氣氛下次之，還原性氣氛下較低，而蒸汽的加入顯著降低了燒結溫度。燒結溫度的變化與不同氣氛下鐵離子存在狀態及鉀的存在形態密切相關。蒸汽氣氛下，鉀更多以KOH等低熔點化合物形態存在，而且含鉀物相在蒸汽氣氛下更容易同煤灰中的硅鋁、鐵鈣等礦物質反應，生成低共融點化合物，致使灰熔點及燒結溫度大幅下降。

煤；氣化；催化劑；燒結溫度；壓差法測定技術；壓力；反應氣氛；蒸汽

引 言

隨著經濟的迅速發展以及環保規定的日益嚴格，近年來我國對天然氣這一清潔能源的需求量呈爆炸式增長，供需矛盾日益突出。利用我國相對豐富的煤炭資源發展煤制天然氣技術，對于緩解供需矛盾和保障能源安全具有重要意義。煤催化氣化制天然氣技術是對傳統煤氣化技術的革新，該技術引入了可以同時催化水煤氣反應、水煤氣變換反應和CO/H2甲烷化反應的催化劑，在低溫、中壓下生成富含甲烷的氣體。煤催化氣化技術與其他煤氣化制甲烷技術相比具有熱效率高、甲烷含量高、水耗低等優點，同時有利于CO2的集中捕獲、處理及其他污染物的脫除，引起世界各國極大的關注[1-8]。

煤催化氣化技術使用的催化劑主要有堿金屬、堿土金屬和過渡金屬等的無機化合物，而堿金屬催化劑的催化活性較佳，已得到廣泛認同[9-12]。堿金屬催化劑的引入可有效降低反應溫度、提高反應速率，并提高目的產物的收率，但在反應工況下堿金屬催化劑會同煤中的Si、Fe、Ca等礦物質反應生成低共融物，極大地降低煤的灰熔點及燒結溫度；低共融物的存在會加劇煤灰顆粒相互黏結成塊，尤其是在流化床反應器中，會影響流化狀態，嚴重時排渣困難，甚至失流化，致使反應器難于連續穩定運行[13-22]。

煤催化氣化工藝中催化劑的引入使得氣化爐的結渣問題更加凸顯，通常采用的灰熔點測定中的初始變形溫度并不是灰黏結結渣的最低極限溫度，氣化爐在低于變形溫度幾百度的溫度下也會發生結渣[23-24]。決定灰黏結結渣的是煤灰初始燒結溫度，煤灰的燒結特性是流化床氣化爐結渣的主要影響因素之一，對流化床氣化系統的設計和運行具有較大的影響[25]。

煤灰成分、壓力、反應氣氛是影響煤灰燒結溫度的主要因素。Al-Otoom等[25-26]對測定煤灰燒結溫度的方法進行了綜述，并對加壓流化床燃燒爐煤灰的燒結溫度進行了研究；王勤輝等[27-32]研究了壓力、氣氛和煤灰成分對燒結溫度的影響，當流化床操作溫度高于煤灰燒結溫度時煤中礦物質具有黏結結渣的趨向。

鑒于煤催化氣化技術相對于現有研究存在操作壓力更高（3.5 MPa）、反應氣氛中存在大量蒸汽及引入了堿金屬催化劑等自身特點，本研究以內蒙古王家塔煙煤為實驗原料考察了鉀基堿金屬催化劑添加、壓力、反應氣氛對燒結溫度的影響。針對煤催化氣化工藝，通過控制反應溫度在燒結溫度以下操作，可有效避免流化床氣化爐內結渣問題的出現。

1 實驗部分

1.1 材料

原料煤為王家塔煙煤，標記為WJT，經粉碎、篩分得到粒徑為90～180mm的煤粉，干燥處理后進行催化劑負載。采用等體積浸漬法將分析純碳酸鉀催化劑均勻負載于WJT煤上，負載量為WJT煤粉質量的10%，干燥后得到負載碳酸鉀催化劑王家塔煤，標記為WJT-K。WJT及WJT-K煤質分析見表1。

表1 試樣煤質分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of samples

① By difference.

1.2 灰樣制備及灰熔點測定

為了防止常用的815℃下高溫灰化過程中因煤樣中堿金屬催化劑揮發損失導致分析結果失真，本研究采用550℃低溫灰化[33]，即按照NY/T 1881.5—2010標準對WJT、WTJ-K進行灰化處理，對制備的灰樣進行灰成分分析及灰熔點測定，結果見表2、表3。

表2 試樣灰成分分析Table 2 Ash composition analysis of samples

表3 試樣灰熔點Table 3 Ash fusion temperatures of samples/℃

①Molar ratio of H2to CO2is 1:1; ② CO2.

Note: Testing method was in accordance with GB/T 219—2008.

1.3 壓差法燒結溫度測定

1.3.1 技術原理 燒結即為在超過表面張力條件下毗鄰顆粒間的黏結。壓差法燒結溫度測定技術是將灰柱內發生的變化以壓差的形式表現出來，其理論基礎是達西定律

在氣體流速、灰柱長度和可滲透系數0保持不變的情況下，壓差隨氣體黏度增大而增大，氣體黏度隨溫度升高而增大，因此壓差隨溫度升高而升高。當灰發生燒結時，灰柱收縮，在灰柱內部以及灰柱和管道之間會形成新的氣體通道，從而使得壓差變小。所以當燒結發生時壓差隨溫度變化的曲線上有一個轉折點，此點所對應的溫度即為灰的燒結溫度[25-26]。

1.3.2 實驗裝置及測定步驟 實驗裝置如圖1所示，包括3路進氣系統（H2、CO、N2、CO2、O2單一氣體或混合氣）、蒸汽系統（加壓雙柱塞水泵、蒸汽發生器）、壓差法燒結溫度測定水平管及電加熱爐、儀表控制系統（測溫熱電偶、壓差傳感器、壓力計等）、氣液分離裝置、干燥器、背壓閥等。

將待測灰樣制成的灰柱置于內徑為12 mm的水平反應管中，用氮氣置換反應管中的空氣并給系統充壓，調節背壓閥使系統壓力穩定在指定反應壓力下，之后按設定程序進行升溫，反應管內溫度達400℃后開啟水泵，將蒸汽等指定反應氣氛所需氣體介質按一定流量通入反應管中，同時打開壓差傳感器兩端閥門，獲取壓差隨溫度變化的曲線，測得燒結溫度。

1.4 分析及表征方法

將燒結前后的灰樣于瑪瑙研缽中研磨至粒徑小于75mm，通過X射線衍射法(XRD：Bruker D8 Focus)檢測其物相組分。測試條件為：Cu靶、管電壓40 kV、管電流40 mA、掃描范圍5°～80°（2）、掃描速率８(°)·min-1。

1.5 實驗條件設定

采用WJT、WJT-K煤灰為原料，考察不同壓力（0.1、1.0、2.5、3.5 MPa）、不同反應氣氛（單一氮氣、氫氣、二氧化碳、蒸汽及各氧化性混合氣氛和還原性混合氣氛）對燒結溫度的影響。各設定氣氛編號及組成見表4。

表4 各設定反應氣氛氣體組成Table 4 Gas compositions of different reaction atmospheres

2 結果與討論

2.1 碳酸鉀催化劑添加對燒結溫度的影響

由表2、表3可知，WJT煤灰中堿性化合物含量較高，灰熔點較低。添加碳酸鉀催化劑后，煤灰中堿性化合物比例大大增加，酸性化合物比例相應更少，WJT-K灰熔融軟化溫度相對于WTJ煤降低了250℃。

采用XRD分析WJT、WJT-K煤粉的物相組成，如圖2所示。WJT煤灰的物相組成主要有石英、方解石、硬石膏、赤鐵礦，大量堿性礦物質的存在使得該煤種灰熔點較低，與表2灰成分、表3灰熔點分析結果對應。添加催化劑后，WTJ-K煤灰中出現了碳酸鉀及碳酸鉀鈣石物相，均為低熔點物質，致使WJT-K灰熔點大大降低。

在3.5 MPa、H2O+CO+H2反應氣氛（具體組成見表4氣氛5）下考察WJT、WTJ-K灰燒結溫度（s），壓降隨溫度的變化如圖3所示。隨溫度升高床層壓降增大，在達到燒結溫度前壓差隨溫度變化近似于線性變化，與理論符合較好。由圖2可知，WTJ-K煤灰燒結溫度為650℃，在低于燒結溫度十幾度溫差范圍內壓差基本不隨溫度變化，這是由于氣體黏性隨溫度升高而增大引起的壓差增加量和開放孔增大引起的壓差減少量暫時達到了動態平衡，使壓差保持不變[26]。WJT煤灰在800℃未發生燒結，實驗重復性在±10℃內。

添加碳酸鉀催化劑后，碳酸鉀及碳酸鉀鈣石等含鉀物相的存在使得煤灰燒結溫度大大降低，與灰熔點測試結果一致。含鉀堿性化合物本身較低的灰熔點，加之K極易同煤灰中的Si、Al等形成長石類低熔點物質，堿金屬鉀的存在加劇了煤灰的熔融結渣[34]。

2.2 壓力對燒結溫度的影響

于H2O+CO+H2反應氣氛（具體組成見表4氣氛5）下考察不同壓力對WJT-K灰燒結溫度的影響，如圖4所示。WJT-K煤灰燒結溫度隨壓力增大而降低。在整個壓力考察范圍（0.1～3.5 MPa）內燒結溫度受壓力影響均較大，高壓下影響更明顯。Jing等[31]在0.1～1.0 MPa范圍內考察了壓力對燒結溫度的影響，得出0.1～0.7 MPa下燒結溫度隨壓力增大降低，而0.7～1.0 MPa內燒結溫度隨壓力的增大降低趨勢不明顯。李風海等[32]的研究得出在低壓范圍（0～0.7 MPa）下煤灰燒結溫度受壓力影響較少，0.7～1. 0 MPa 時燒結溫度隨壓力變化大，1.0～1.5 MPa燒結溫度隨壓力增大變化減少，但更高壓力對煤灰燒結溫度影響的研究至今尚未見報道。Jing等[29-31]認為較高壓力下增大壓力時燒結溫度降低趨勢變緩主要與隨壓力增大高熔點莫來石物相出現相關。本研究采用的WJT灰樣中Al含量低，而Fe、Ca含量高，同時堿性化合物K的添加改變了煤灰成分，研究結果表現出更高壓下壓力對燒結溫度影響更明顯，這可能與所選煤種灰成分及碳酸鉀催化劑的添加有關。

不同壓力下燒結灰樣的XRD譜圖如圖5所示。0.1 MPa下燒結灰樣的主要物相為碳酸鉀、碳酸鉀鈣石及淡磷鉀鐵礦，主要為添加的催化劑及其同煤灰礦物質反應所生。隨壓力增大，淡磷鉀鐵礦含量增加，隨后降低，至3.5 MPa下完全消失，其發生了分解或同煤灰中的礦物質反應生成非晶低共融物，XRD無法檢測。1.0 MPa下，檢測出磁鐵礦物相，而且隨壓力增大含量逐漸增加，易融礦物質磁鐵礦極易同煤中的Ca、Si、Al等反應生成低溫礦物質，該些低溫礦物質間易發生反應生成低熔點共融物[35]，使灰熔點及燒結溫度大大降低。3.5 MPa下，淡磷鉀鐵礦完全消失，碳酸鉀物相降至較少含量，其發生了分解或同煤中的Si、Al形成了長石、透石等低熔點礦物質，而這些礦物質極易同鐵鈣礦物質發生反應生成低溫共融物[36]，致使燒結溫度降低。3.5 MPa下，檢測出方解石物相，壓力的增大抑制了這些低溫礦物質的分解，在更高溫度下方解石更容易同灰中的K、Fe等的硅鋁酸鹽礦物質反應形成低溫共融物，降低燒結溫度[31]。同時堿金屬催化劑的添加及加壓均會加速反應速率，影響并改變礦物質化學反應平衡，煤灰中一些易形成低熔點共融物物質的存在大大降低了煤灰的燒結溫度。

2.3 不同反應氣氛對燒結溫度的影響

于3.5 MPa下考察惰性、氧化性、還原性單一氣氛及混合氣氛（具體反應氣氛見表4）對WJT-K灰燒結溫度的影響，如圖6所示。空氣、CO2氧化性氣氛下燒結溫度較高，N2惰性氣氛下次之，還原性氣氛下較兩者更低。

燒結溫度的差異主要由不同氣氛下鐵離子存在狀態不同導致。還原性氣氛下，3價鐵可轉化為2價鐵，而2價鐵更容易與灰中的SiO2、Al2O3及含鈣礦物質等反應形成低溫共融物，在低于700℃下就可能會形成液相，導致燒結溫度降低[37]。

對比4種單一氣氛，蒸汽氣氛下燒結溫度最低。對比各混合氣氛，相對于單一氣氛，蒸汽的添加大大降低了燒結溫度。考慮造成這種現象的主要原因可能與蒸汽存在條件下鉀的存在形態不同有關。蒸汽氣氛下，部分鉀以KOH形式存在，其本身熔點很低，而且蒸汽氣氛下鉀更容易同煤灰中的硅鋁化合物反應生成低熔點物質[38-39]，致使灰熔點及燒結溫度大幅下降。

對比不同反應氣氛下燒結煤灰的XRD譜圖，如圖7所示，發現：N2惰性及CO2氧化性氣氛下檢測出以Fe3+形式存在的淡磷鉀鐵礦、鉀石膏、硅鈣石等物相，而氫氣及蒸汽氣氛下這些物相因發生反應熔融而消失，助融礦物磁鐵礦物相出現；還原性氣氛下，灰中存在的鐵更多以2價鐵形式存在，極易同煤灰中的礦物質反應生成鐵橄欖石、鐵尖晶石、鐵鋁榴石、斜鐵輝石等礦物質，這些鐵系礦物質相互間及同鉀、鈣礦物質易反應產生低溫共熔現象[28,30]，從而使氫氣、蒸汽氣氛下灰樣的燒結溫度相對惰性及氧化性氣氛降低。相對于純蒸汽氣氛，H2O+CO+H2反應氣氛下檢測出方解石物相，而且磁鐵礦含量相對增加，兩者均為助融礦物質，易同鉀鈣、硅鋁等物質反應生成低熔點共融物[31,35]，導致該氣氛下燒結溫度最低；H2O+N2反應氣氛相對于純氮氣氣氛下，淡磷鉀鐵礦及鉀石膏物相消失，檢測出鈣沸石等鈣的硅鋁酸鹽物相，蒸汽氣氛下含鉀物相更容易同鐵、鈣等的硅鋁酸鹽反應生成低熔點非晶物質[38-39]，致使蒸汽、氮氣混合氣氛下燒結溫度相對于單一氮氣氣氛下降低；H2O+CO2反應氣氛相對于純CO2氣氛下淡磷鉀鐵礦、碳酸鉀物相消失，可能生成了熔點更低的鉀鐵的非晶礦物質，同時檢測出磁鐵礦，致使燒結溫度降低；空氣氣氛下燒結溫度最高，除了受鐵離子存在形態影響外，將燒結煤灰的XRD譜圖同其他氣氛下的譜圖對比發現，以較低熔點的鉀化合物形式存在的碳酸鉀、碳酸鉀鈣石等的含量相對降低，大量含鉀物相以硫酸鉀等高價氧化物形式存在，相對于碳酸鹽較穩定，不易同煤灰中的硅鋁化合物反應，降低了鉀鈣鐵的硅鋁酸鹽間相互反應生成低熔點共融物的概率，致使空氣氣氛下燒結溫度較高。

3 結 論

通過自制的壓差法測定燒結溫度實驗裝置，并結合XRD分析，研究王家塔煤灰的燒結特性，考察鉀基堿金屬催化劑添加、反應壓力、反應氣氛對燒結溫度的影響。

（1）堿性化合物碳酸鉀催化劑的添加顯著降低了煤的灰熔點及燒結溫度。低熔點含鉀物相的存在，加之K極易同煤灰中的Si、Al等形成長石類低熔點物質，致使煤灰的熔融結渣因堿金屬鉀的添加而加劇。

（2）在0.1～3.5 MPa下考察了壓力對燒結溫度的影響。燒結溫度隨壓力增大而降低，而且高壓下壓力對燒結溫度影響更明顯，這一現象與煤中灰成分及碳酸鉀催化劑的添加有關。加壓及堿金屬催化劑的添加會加快反應速率，影響并改變礦物質的化學反應平衡；壓力的增大抑制了某些礦物質的分解，這些物質在更高溫度下容易同灰中的礦物質反應形成低溫共融物。這些煤灰中易形成低熔點共融物物質的存在使得煤灰的燒結溫度大大降低。

（3）空氣、CO2氧化性氣氛下燒結溫度較高，N2惰性氣氛下次之，還原性氣氛下較低，這主要由不同氣氛下鐵離子的存在狀態及鉀的存在形態不同所致。蒸汽的添加大大降低了燒結溫度，考慮這種現象主要與蒸汽存在條件下鉀的存在形態不同有關。蒸汽氣氛下，部分鉀以KOH形式存在，其本身熔點很低，而且蒸汽氣氛下含鉀物相更容易同鐵、鈣等的硅鋁酸鹽化合物反應生成低熔點物質，致使灰熔點及燒結溫度大幅下降。

References

[1] Hirsch R L, Gallageher J E, Lessard J R, Wesselhoft R D. Catalytic coal gasification: an emerging technology [J].,1982, 215(1): 121-127

[2] Nahas N C. Exxon catalytic coal gasification process [J]., 1983, 62(2): 239-241

[3] Mao Yandong(毛燕東), Li Kezhong(李克忠), Sun Zhiqiang(孫志強), Bi Jicheng(畢繼誠), Xin Feng(辛峰), Li Jinlai(李金來). Characteristics of catalytic coal gasification in lab scale autothermal fluidized bed [J].(高校化學工程學報), 2013, 27(5): 798-804

[4] Mao Y, Bi J, Li J, Gan Z. A method for producing methane by catalytic gasification of coal[P]: CN, 201010532452.6. 2010-11-02

[5] Bi J, Mao Y, Li K. Process by catalytic gasification of natural gas to a coal self-heating[P]: CN, 201210196987.X. 2012-06-15

[6] Pan Y, Liu M, Ji C, Hu M, Wang Z. To prepare the town gas by catalytic gasification of Da-Tong coal under elevated pressure(Ⅰ): The characteristics of catalytic gasification of Da-Tong coal and its coke [J]., 1986, 12(1): 25-33

[7] Nahas N C. Process for the catalytic gasification of coal [P]: US, 4077778. 1978-03-07

[8] Hippo E J, Sheth A C. Mild catalytic steam gasification process[P]: US, 2007/0000177A1. 2007-01-04

[9] Veraa M J, Bell A T. Effect of alkali metal catalysts on gasification of coal char [J]., 1978, 57(4): 194-200

[10] McKee D W, Spiro C L, Kosky P G. Catalysis of coal char gasification by alkali metal salts [J]., 1983, 62(2): 217-220

[11] Yeboah Y D, Xu Y, Sheth A C. Catalytic gasification of coal using eutectic salts: identification of eutectics [J]., 2003, 41(2): 203-214

[12] Sheth A C, Yeboah Y D, Godavarty A, Sastry C. Catalytic gasification of coal using eutectic salts: reaction kinetics with binary and ternary eutectic catalysts [J]., 2003, 82(3): 305-317

[13] Schmitt V, Kaltschmitt M. Effect of straw proportion and Ca and Al-containing additives on ash composition and sintering of wood-straw pellets [J]., 2013, 109(7): 551-558

[14] Lin W, Johansen K D, Frandsen F. Agglomeration in bio-fuel fired fluidized bed combustors [J].., 2003, 96(2): 171-185

[15] Yao Donglin(姚冬林), Jin Baosheng(金保升), Xiao Gang(肖剛). Review on biomass fluidized bed combustion/gasification sintering characteristic and mechanism [J].(鍋爐技術), 2009, 40(4): 76-80

[16] Khan A, De J W, Jansens P, Spliethoff H. Biomass combustion in fluidized bed boilers: potential problems and remedies [J]., 2009, 90(1): 21-50

[17] Demirbas A. Potential applications of renewable energy sources, biomass combustion problems in boiler power systems and combustion related environmental issues [J]., 2005, 31(2): 171-192

[18] Sami M, Annamalai K, Wooldridge M. Co-firing of coal and biomass fuel blends [J]., 2001, 27(2): 171-214

[19] Nielsen H, Frandsen F, Dam-Johansen K, Baxter L. The implications of chlorine associated corrosion on the operation of biomass-fired boilers [J]., 2000, 26(3): 283-298

[20] Romeo L M, Gareta R. Hybrid system for fouling control in biomass boilers [J]., 2006, 19(8): 915-925

[21] Easterly J L, Burnham M. Overview of biomass and waste fuel resources for power production [J]., 1996, 10(2): 79-92

[22] Heinzel T, Siegle V, Spliethoff H, Hein K. Investigation of slagging in pulverized fuel co-combustion of biomass and coal at a pilot-scale test facility [J]., 1998, 54(1): 109-125

[23] Bartels Malte, Lin W, Nijenhuis J, Kapteijn F, Ommen J R. Agglomeration in fluidized beds at high temperatures: mechanisms, detection and prevention [J]., 2008,34(5): 633-666

[24] Gupta S K, Gupta R P, Bryant G W, Wall T F. The effect of potassium on the fusibility of coal ashes with high silica and alumina levels [J]., 1998, 77(11): 1195-1201

[25] Al-Otoom A Y, Elliott L K, Moghtaderi B, Wall T F. The sintering temperature of ash, agglomeration, and defluidisation in a bench scale PFBC [J]., 2005, 84(1): 109-114

[26] Al-Otoom A Y, Bryant G, Elliott L, Skrifvars B, Hupa M, Wall T. Experimental options for determining the temperature for the onset of sintering of coal ash [J]., 2000, 14(1): 227-233

[27] Wang Qinhui(王勤輝), Jing Nijie(景妮潔), Luo Zhongyang(駱仲泱), Li Xiaomin(李小敏), Jie Tao(揭濤). Experiments of the effect of chemical components of coal ash on the sintering temperature [J].(煤炭學報), 2010, 35(6): 1015-1020

[28] Wang Qinhui(王勤輝), Jie Tao(揭濤), Li Xiaomin(李小敏), Luo Zhongyang(駱仲泱), Jing Nijie(景妮潔), Cen Kefa(岑可法). Experiments of the effects of reaction atmosphere on coal ash sintering temperature [J].(燃料化學學報), 2010, 30(1): 17-22

[29] Jing N, Wang Q, YangY, Cheng L, Luo Z, Cen K. Influence of ash composition on the sintering behavior during pressurized combustion and gasification process [J]., 2012, 13(3): 230-238

[30] Jing N, Wang Q, Luo Z, Cen K. Effect of different reaction atmospheres on the sintering temperature of Jincheng coal ash under pressurized conditions [J]., 2011, 90(8): 2645-2651

[31] Jing N, Wang Q, Cheng L, Luo Z, Cen K. The sintering behavior of coal ash under pressurized conditions [J]., 2013, 103(1): 87-93

[32] Li Fenghai(李風海), Huang Jiejie(黃戒介), Fang Yitian(房倚天), Wang Yang(王洋). Research on the influencing factors of sintering temperature of Xiaolongtan lignite ashes [J].(潔凈煤技術), 2011, 17(3): 57-61

[33] Wang L, Hustad J E, Gr?nli M. Sintering characteristics and mineral transformation behaviors of corn cob ashes [J]., 2012, 26(8): 5905-5916

[34] Haykiri-Acma H, Yaman S, Kucukbayrak S. Effect of biomass on temperatures of sintering and initial deformation of lignite ash [J]., 2010, 89(10): 3063-3068

[35] Zhang S, Chen Z, Chen X, Gong X. Effects of ash/K2CO3/Fe2O3on ignition temperature and combustion rate of demineralized anthracite [J]., 2014, 42(2): 166-174

[36] Gupta S K, Gupta R P, Bryant G W, Wall T F. The effect of potassium on the fusibility of coal ashes with high silica and alumina levels [J]., 1998, 77(11): 1195-1201

[37] Van J C, Benson S A, Laumb M L, Waanders B. Coal and coal ash characteristics to understand mineral transformations and slag formation [J]., 2009, 88(11): 1057-1063

[38] Blasing M, Müller M. Investigations on the influence of steam on the release of sodium, potassium, chlorine, and sulphur species during high temperature gasification of coal [J]., 2012, 94(4): 137-143

[39] Wang C, Zhang Y, Jia L, Tan Y. Effect of water vapor on the pore structure and sulphation of CaO [J]., 2014, 130(8): 60-65

Analysis of influencing factors on sintering temperature of Inner Mongolia Wangjiata bituminous coal ash during catalytic coal gasification

MAO Yandong1,2, JIN Yadan2, LI Kezhong2, BI Jicheng2, LI Jinlai2, XIN Feng1

(School of Chemical Engineering and TechnologyTianjin UniversityTianjinChinaState Key Laboratory of Coalbased Low Carbon EnergyENNTechnology & Development Co. LtdLangfangHebeiChina

Agglomeration in fluidized bed gasification system is considered as a primary operational problem, especially for catalytic coal gasification process because alkali catalyst worsens sintering and slagging. The optimal condition from the experiments will ensure the operation of coal gasification below sintering temperature and make the fluidized bed gasifier operate normally. In this paper a self-made pressurized pressure-drop measuring device combining analysis of X-ray diffractometer (XRD) analyzer were used to study the effects of alkali catalyst addition, operation pressure and reaction atmosphere on sintering temperature of Wangjiata bituminous coal from Inner Mongolia, China. Sintering temperatures declined markedly after adding potassium carbonate catalyst. Sintering temperatures decreased with increasing pressure in the range of 0.1—3.5 MPa, and a more obvious decrease could be observed in the interval of higher pressure. This effect could be related to coal ash composition and addition of alkali catalyst. Operation pressure influenced sintering temperatures by affecting reaction rate and mineral transformation in coal ash, as observed from XRD patterns. Sintering temperatures measured in the reducing reaction atmosphere were lower than those in inert and oxidizing atmospheres, which could be related to different existence forms of Fe ions and K. The addition of water vapor lowered sintering temperature significantly. The presence of water vapor led to formation of low melting point materials, such as KOH, and K-bearing materials were easier to react with minerals of coal ash to produce low temperature eutectics in water vapor atmosphere, thus lowering sintering temperature.

coal；gasification；catalyst；sintering temperature；pressure-drop technique；pressure；reaction atmosphere；water vapor

2014-10-29.

LI Kezhong, nyyjy@enn.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20141630

TQ 53；TQ 54

A

0438—1157（2015）03—1080—08

國家科技支撐計劃項目

聯系人：李克忠。第一作者：毛燕東（ 1984—），女，博士研究生，工程師。

supported by the National Key Technology R&D Program of China (2009BAA25B00) and the National Basic Research Program of China (2011CB201305).