Shell气化炉灰渣特性及应用开发研究-硕士研究生开题报告.ppt

Shell气化炉灰渣特性及应用开发研究,研 究 生：刘 军 指导教师：李寒旭 教 授 报告日期： 2013.3.18,主要内容,本课题创新点,研究内容与方法,国内外研究现状,选题背景、研究目的及意义,课题名称及来源,课题进展计划,1 课题名称及来源,课题名称：Shell气化炉灰渣特性及应用开发研究,课题来源：自选,洁净煤技术的发展不仅有利于我国发挥煤炭资源优势、提高能源效率，还有利于生产清洁能源、优化能源结构； 灰渣性质能够很好反映出气化炉运行工况； 煤化工迅猛发展，导致煤炭气化过程飞灰和灰渣排放量日益增多； 灰渣在建筑、建材、化学、污水处理工业中有广泛应用 ； 沸石作为干燥剂，吸附剂，离子交换剂、催化剂和传统水软化剂，已被广泛应用到各个工业领域中 。,2 选题背景、研究目的及意义,2.1 选题背景,2.2 研究目的,研究气化炉灰渣的主要物理及化学性质，探究灰渣在高温下热态行为，寻找灰渣与飞灰及煤灰之间关系； 以气化炉灰渣为主要原料合成沸石分子筛,2.3 研究意义,对灰渣理化性质分析能够为气化炉操作提供一定的理论指导意义。 以气化炉灰渣为主要原料合成沸石分子筛，为人工合成沸石找到了一种廉价的原料，可以节约化工原料，拓宽气化炉灰渣的应用范围，有利于资源的综合利用，还能实现变废为宝。,3 国内外研究现状,气化炉灰渣是气化过程的产物，它能很好反映出气化炉运行工况，能够为气化炉操作提供一定的参考价值，因此针对气化炉灰渣国内外学者做了大量的研究，主要围绕着灰渣物理性质、粘附沉积特性、流动特性、高温下热膨胀行为。,A.Acosta1等人对西班牙IGCC火力发电厂煤气化的粗渣的特性进行了研究，研究发现：渣样形态有平滑的表面和多孔的结构两种。颗粒表面的边缘部分存在狭窄的棱角，这些棱角的存在促进了渣样颗粒的熔融与烧结 。,Tadaaki Shimizu2的高温气化条件下熔融渣层表面捕捉颗粒的模型理论，熔融的渣层表面被未燃碳颗粒覆盖时，这些未反应的颗粒会对后来的颗粒产生排斥，直到颗粒充分反应，熔融成为液态，继续粘附未反应的颗粒。,Folkedahl等3研究了灰渣在不同气氛中的流动性，结果表明：在空气气氛下，灰渣的粘度与酸性氧化物的摩尔比率相关；在氢气气氛下，灰渣粘度变化与灰渣中铁含量有关；在空气和水蒸气混合气氛下，水蒸气可能会进入灰渣中破坏Si-O-Si桥键以及形成金属氢氧化物（如钾）的碱性阳离子配合物，使得灰渣粘度随着硅含量降低和钾含量增加出现升高。,M.Aineto4等人研究了高温下灰渣的热膨胀性，提出高温高压还原性性气氛下H2、N2、CO在熔融的玻璃渣中表现出很高的溶解性，并且在冷却的过程中这些气体会被保留在玻璃渣中；当温度接近软化温度时，不透明的玻璃体会产生晶相并且会释放出包裹的气体，进而加剧膨胀反应。,沸石分子筛可以作为吸附剂、催化剂或催化剂载体、离子交换剂、多孔结构，应用于分离、石油化工、环保及高科技领域。因此国内外学者对制备分子筛研究做了大量研究，主要以粉煤灰、高岭土、煤矸石、硅藻土、工业废渣、油页岩渣、伊利石等为原料，采用水热合成法成功制备了不同种类的沸石分子筛。,孔德顺6等人高铁高砂煤矸石为原料，将煤矸石低温焙烧、盐酸酸浸除铁、高温焙烧后再碱融活化获得了活性原料，采用水热晶化的方法，合成了粒度分布均匀，晶形完好4A沸石分子筛产品。,曾小强5等人将粉煤灰与碳酸钠混合焙烧生成硅酸钠和硅铝酸钠，结果发现：在碱溶过程中溶液中的硅铝存在过饱和现象，在过饱和期内实现固液分离，可提取粉煤灰中的硅铝用于合成X型、A 型、P型纯沸石产品。,C. V. Mcdaniel7以偏高岭土、水玻璃、NaOH为原料，加入晶化导向剂在100晶化15小时，成功合成出硅铝比为4.55.95的具有良好性能的Y型分子筛，把利用廉价矿物原料制取高硅型八面沸石的工作向前推进了一步。,Chaisena A8等人将硅藻土经过1100的高温酸化处理后，在不同条件下制得了NaP沸石分子筛。结果表明，产品的性能主要取决于固液配比、晶化温度和晶化时间。,4 研究内容与方法,分析Shell气化炉稳定运行期间采集灰渣的性质，主要包括：可燃物含量、晶体矿物组成、化学组成、表观形貌、熔融特性、粘温特性； 探究高温下灰渣热态行为，寻找灰渣与飞灰及煤灰的关系； 采用水热合成法制备沸石分子筛； 利用正交实验设计找出最佳的合成工艺技术参数； 对合成产品进行表征及性能测试,研究方法,利用XRD、XRF分别测试灰渣晶体矿物组成、化学组成；并利用5E-AF智能灰熔点测试仪、自主开发的灰渣流动性测试仪、高温旋转粘度计分别测试灰渣熔融温度、灰渣流动性、灰渣粘温特性； 采用水热合成法制备沸石分子筛，利用正交实验设计确定合成最佳工艺技术参数； 借助X-射线衍射仪（XRD）的对产品进行物相鉴定，扫描电子显微镜（SEM）和X-射线荧光光谱（XRF）对产品进行表观形貌及组成分析；采用TG-DTA方法表征产品的热稳定性；采用比色法对产品测定相应吸附量的大小，进行吸附性能测试。,拟解决的主要技术问题 探究高温下灰渣的热态行为以及对其特性进行表征是要解决的技术难题； 采用水热合成法进行制备及合成工艺技术参数确定是要解决的技术问题 产品的表征和性能测试以及对合成产品鉴定是要解决的技术难题,拟采取的研究技术路线,5 本课题创新之处,选取了低廉、易得的气化炉灰渣为主要原料，采用水热合成法进行合成实验。 采用正交实验设计探究水碱比、碱硅比、老化温度、老化时间、晶化温度、晶化时间对合成实验影响规律，找出最佳的合成工艺参数。,完成课题的条件,1）本人自2011年以来，一直在灰化学研究所从事煤化工的基础研究工作，查阅了大量文献，对以粉煤灰、煤矸石、高岭石等为原料合成沸石分子筛进行了详细了解，有一定的理论基础和实践能力。同时对气化炉渣的特性、组成进行了大量的前期研究工作，具有良好完成本项目的技术基础。,2）本实验室拥有全自动工业分析仪、元素分析仪、全硫测定仪、量热仪、哈氏可磨性指数测定仪、高温管式炉（1600以上）、XRD、热重-红外联用仪等一系列煤质化验基本手段和各种常规化学分析检测手段。其它检测（SEM、XRF检测技术）可以在合肥工业大学和南京大学有偿进行。另外在洁净煤技术方向（煤化工）与国外相关学科的大学（日本中部大学、美国西肯塔基大学）有着紧密的联系，具有各种优势，拥有良好的研究基础，具备完成该课题的条件。,研究展望,灰渣特性如何影响气化炉运行工况以及与工艺技术参数之间关系如何还需进一步深入探究； 以气化炉灰渣为主要原料合成沸石分子筛报道较少，以气化炉灰渣为主要原料制备高纯度、实用性较强的沸石分子筛还需要进行深入研究与试验。,6 课题进展计划,2013.032013.04 对所选用的实验灰渣进行性质分析； 2013.052013.07 开展灰渣高温下热态行为研究，寻找灰渣与飞灰及煤灰的关系； 2013.082014.01 利用水热合成法制备沸石分子筛，利用正交实验寻找最佳工艺技 术参数，对合成产品进行表征与性能测试； 2014.022014.06 验证部分实验结果，并处理分析所有数据，撰写论文，准备答辩。,部分参考文献,1 A.Aeosta, M.Aineto, I. Iglesias, etal. Physico-chemical characterization of slag waste coming from GICC thermal power plantJ. Materials Letters.2001,50:246-250. 2 Tadaaki Shimizu, Hiroaki Tominaga. A model of char capture by molen slag surface under high-temperature gasification conditionsJ. Fuel, 2006,85:170-178. 3 Bruce C. Folkedahl.Effects of Atmosphere on Viscosity of Selected Bituminous and Low-Rank Coal Ash SlagsJ. EneryFuels.2005,19:208-215. 4 Aineto M, Acosta A, Romero M.Thermal expansion of slag and fly ash from coal gasification in IGCC power plantJ. Fuel, 2006, 85(16): 2352-2358. 5曾小强,叶亚平,王明文,等.粉煤灰分步溶出硅铝制备纯沸石分子筛的研究J.硅酸盐通报,2007,26(1):20-26. 6付克明,朱虹.粉煤灰合成4A分子筛的机理及工艺技术参数分析J.矿产综合利用,2007, (4):