两段气化(Two-stage gasification)能有效脱除焦油,是一种生产洁净燃气的气化技术。目前,该技术主要用来处理块状生物质颗粒,存在放大困难、原料局限等问题。我国的工业煤气主要利用固定床气化优质块煤生产,不能利用低成本碎煤。利用两段气化的原理,开发出可以处理廉价而丰富的碎煤、且更易大型化、燃气中焦油含量低的气化技术具有重要的经济、环境和社会意义。　　 结合流化床和下吸式固定床反应器的优点,过程所创造性地提出通过将流化床和下吸式固定床反应器合理组合而形成新型碎煤低焦油两段气化技术。煤在流化床热解器中充分热解,热解产物全部进入到下吸式固定床气化炉中。半焦在气化炉中完全气化,同时利用半焦层强化焦油的高温裂解、部分氧化及催化重整,进而脱除焦油。本论文围绕该技术首次开展系统基础研究和工艺中试,首先在实验室开展了含氧/蒸汽气氛的流化床高温煤热解、固定床内半焦对焦油脱除特性和半焦二氧化碳气化动力学研究,优化确立了流化床热解和固定床气化及焦油裂解的匹配条件。在此基础上,设计建造了煤处理量50kg/h的碎煤两段气化中试装置,并开展了连续性试验,对创新的两段气化工艺进行了验证,为技术放大与产业化提供了理论与数据支撑。　　 本论文的主要研究内容和结果如下:　　 (1)碎煤流化床热解基础研究。重点考察了热解温度和热解气氛对新疆次烟煤在流化床内热解产物分布规律的影响。N2气氛中,随热解温度的升高,气体产率明显增加、半焦和焦油产率降低;含氧气氛中,半焦和焦油产率显著降低、气体产率增加,CO和CO2增加显著;水蒸汽的加入使得半焦和焦油产率进一步降低,气体、尤其是H2产率升高。纯N2气氛中,半焦的比表面积小,微孔数目少;在含氧和含蒸汽气氛中,半焦的比表面积大幅增加,尤其是微孔的比表面积增加。半焦气化活性与比表面积密切相关,纯N2气氛下生成半焦的气化活性最低、含蒸汽气氛下生成的半焦活性最高。然而,过高温度(900℃)和过量空气系数(ER,试验时单位质量煤实际消耗的空气质量与单位质量煤理论上完全燃烧所需的空气量之比,如(0.22)会引起半焦出现石墨化倾向,造成气化活性降低。与纯N2气氛中煤热解产生的焦油相比,含氧气氛下的焦油重质组分多,热裂解活性差;而含蒸汽气氛下的焦油轻质组分增多,热裂解活性较高,有利于固定床对焦油的进一步重整。对于实际的自热式两段气化工艺,其上游流化床热解的最佳条件确定为:850℃、ER=0.15及水蒸汽通入量与煤的质量比S/C=0.15。　　 (2)固定床脱除焦油基础研究。在下吸式固定床反应器内考察了高温裂解、部分氧化、半焦催化重整对流化床热解生成焦油脱除效果的影响。结果表明,部分氧化和半焦催化重整在脱除焦油和气体改质方面较热裂解更有效,且对焦油的脱除具有一定的选择性,可有效抑制焦油转化过程生成积碳的反应。半焦的微孔结构及其所含金属氧化物的种类和含量都对焦油的脱除具有重要影响。比表面积越大,对焦油的催化重整作用越强。重整后,半焦的微孔比表面积下降显著,而介孔的比表面积大幅增加。通过在脱灰半焦中负载金属氧化物发现,不同种类的金属氧化物对焦油的脱除效果不同,依次为CaO＞Fe2O3＞Na2O＞MgO。两段气化工艺的下吸式固定床焦油裂解的最佳操作条件确定为:温度1100℃、ER=0.04、气体停留时间大于1.3s(对应的半焦床层的高度大于11cm)。　　 (3)半焦气化动力学研究。利用微型流化床反应分析仪(MFBRA)和热重分析仪(TGA)研究半焦与CO2气化反应动力学,通过对比发现,两种分析仪器求取的低温段半焦CO2气化活化能非常接近(MFBRA:282.82kJ/mol;TGA:285.46kJ/mol),说明了实验求取动力学数据的可靠性。然而两者求取的频率因子差别很大,造成了气化反应速率的差异,充分说明利用热重求取的动力学数据不能直接指导流化床反应器的设计。同时,MFBRA能有效避免TGA中因切换气体造成的气化剂分压对气化反应过程的影响。　　 (4)两段气化中试研究。对煤处理量50kg/h的自热式两段气化中试平台的实验表明,随着流化床热解器温度的升高(900℃),热解气的有效组分下降,半焦气化速率增加,产品气中CO和H2的含量明显增加,气体热值增加。试验过程中流化床热解器内的压降小于2kPa,随着固定床气化炉内半焦床层的增加,气化炉压降不断增加。当流化床热解温度为900℃、气化炉内温度约为1100℃时,气化炉出口燃气中的焦油含量为94mg/Nm3,充分说明了两段气化工艺能有效脱除焦油,为放大设计提供了重要保障。