摘要
我国能源消耗主要以煤为主，煤的直接燃烧会产生大量的有害气体SO2以及NOx等，同时会产生导致温室效应的CO2气体。因此，实现煤的清洁高效燃烧从而减少有害气体的排放至关重要，也是目前重要的研究领域。 以煤为燃料的化学链气化技术是一种新型的煤气化技术，通过煤的重整转化，采用水蒸气/CO2作为气化剂，从而制备以H2和CO为主的大量合成气，这不仅可以实现煤的清洁高效利用，同时抑制了NOx、SO2以及CO2的生成。而氧载体是煤化学链气化技术的关键，选用价格低廉、载氧率高的氧载体是煤化学链气化反应的前提和基础。脱硫渣作为一种工业废渣，每年的产量巨大。脱硫渣的主要成份为CaSO4，作为氧载体用于煤化学链气化反应过程，不仅能够促进煤的化学链气化反应，同时具有价格低廉、环境友好、载氧率高、机械强度好，来源广泛的优点，具有极高的研究价值和应用前景。 本文以火电厂烟气脱硫渣为原料，以酸法作为制备原理对其提纯处理得到高纯度的CaSO4，并对得到的CaSO4氧载体微观形貌加以研究；接着对不同煤阶的煤种在CaO催化条件下初步探索煤的催化气化特性，研究不同煤阶的催化气化活性；进一步将煤与CaSO4氧载体在实验室特制的双温管式炉中进行煤化学链气化特性和硫演化特性实验研究，探索煤的气化特性以及副反应硫组份的分布特性；最后选用不同种类的钙基固硫剂对CaSO4氧载体副反应产生的硫组份迁移和固定深入研究。论文的主要研究内容如下： 首先，由于火电厂脱硫渣的组份复杂性，本文对火电厂脱硫渣依序采用H2SO4和HF等复合酸性溶液加以提纯处理，得到以CaSO4为主要成份的氧载体，纯度高达96%。并对提纯CaSO4进行了X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM-EDX）微观形貌和组份分析，并对其还原特性和结构特性采用氢气程序升温还原实验（H2-TPR）和比表面积分析仪（BET）分析。发现经过提纯得到的CaSO4形状呈现条状、孔隙发达、纯度较高、晶体结构完整，有利于作为氧载体和煤发生化学链气化过程。 其次，在不加入CaSO4氧载体的前提下，选用CaO作为催化剂与三种不同煤阶的煤种（YN褐煤、NX无烟煤、SM煤）发生催化气化，并与煤的直接气化作对比，探究影响煤催化气化的影响因素，同时探究三种煤的不同反应活性。结果显示CaO能够有效的促进煤的催化气化，三种煤在气化反应过程中，YN褐煤的气化特性最为明显。 然后，采用脱硫渣提纯的CaSO4作为氧载体和YN褐煤在固定床上进行煤化学链气化反应，探索研究气化剂水蒸气含量、反应温度、氧载体过量系数等对化学链气化制备合成气的影响，确定最佳的反应工况。研究发现水蒸气含量在2ml/min、氧载体过量系数Φ=0.15、反应温度为900℃时，是煤化学链气化反应的最佳工况。同时在煤化学链气化反应过程中，副反应硫组份的生成是无法避免的，因此，对煤化学链气化反应中硫演化实验进行了探索研究，着重探索在副反应硫生成过程中，水蒸气含量、反应温度以及氧载体过量系系数对副反应硫组份生成的影响。 最后，为了能够减少煤化学链气化反应过程中了硫组份的生成，选取了不同种类的钙基固硫剂（CaO、CaCO3、Ca(OH)2），探索对硫组份的固硫特性。首先选用CaO固硫剂，采用不同比例的Ca∶S=(1.5∶1、2∶1、2.5∶1）探索研究抑制硫组份释放的最佳钙硫比，同时选用最佳钙硫比对比分析三种钙基固硫剂的固硫特性。研究发现：当Ca∶S=2∶1、固硫剂为Ca(OH)2时，对化学链气化反应中副反应硫组份的抑制效果最好。 总之，通过研究脱硫渣提纯的高活性CaSO4氧载体与煤的化学链气化反应，并在此基础上对CaSO4氧载体副反应过程中硫演化以及对定向固硫加以研究，有望实现对煤的清洁高效利用，对煤的化学链气化技术的推广具有极其重要的作用。
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