程相龙 郭晋菊 辛坤涵 陈英赞 任海波 马名杰 张海永

(1.河南城建学院材料与化工学院,467036 河南平顶山;2.河南理工大学材料科学与工程学院,454150 河南焦作;3.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,100083 北京)

0 引 言

我国褐煤探明保有资源量达1 300亿t,褐煤高效洁净利用受到业界广泛关注,尤其是褐煤气化技术[1]。目前,褐煤气化实验室反应器类型主要有流化床[2]和夹带流[3-5]等传统反应器,以及丝网反应器、一段式固定床-流化床复合反应器、二段式固定床-流化床复合反应器、燃烧-气化双床反应器及套管反应器[6-7]等新型反应器。传统反应器已在文献[8]中进行了详细介绍,本文对新型反应器进行归纳总结。

丝网反应器气化温度和压力宽泛(负压或小于15 MPa),升温速率灵活可调(0.3 K/s~10 000 K/s),近似微分反应器;固定床-流化床反应器主要用来研究半焦与挥发分相互作用、碱金属和碱土金属(AAEMs)的催化作用及气化动力学等。本文重点分析和讨论负压快速热解(10 000℃/s)的特点、半焦与挥发分相互作用、AAEMs的催化作用以及粒径对气化影响的双面性等方面的研究进展,尝试提出研究中存在的不足和今后研发方向。同时,分析这些反应器在应用过程中存在的问题和解决方法,以期为选择研究方向/方法、优化实验反应器设计及深入研究褐煤气化微观特性提供参考。

1 丝网反应器

丝网反应器是利用电流加热小直径的丝网,快速产生高温,可用来研究快速升温速率下褐煤的气化特性。丝网反应器主要有两层小间距的丝网和筒体组成,结构简单,操作方便(见图1)。

图1 丝网反应器Fig.1 Schematic diagram of wire-mesh reactor

实验时,两层丝网间的单层煤粉被瞬间加热,在一定气氛下发生热化学反应,气态产物由载气带走,半焦残留在丝网上。丝网间的煤粉尽量单层平铺,颗粒间相互作用较弱,挥发分与半焦间相互作用和挥发分二次裂解作用也较弱,在一定程度上可以反映工业化气流床(Texaco,Prenflo和GSP等)气化反应过程。同时,加热速率范围宽泛(0.1 K/s~10 000 K/s),完全可以适用不同升温速率下热解气化过程的研究和模拟。反应气氛也灵活可调,可以研究氧化性气氛、还原性气氛或惰性气氛性下的热转化过程。更为有趣的是,丝网反应器还可以通过外加冷却装置,实现反应后气氛中大分子物质瞬间冷凝,研究大分子物质在不同停留时间下冷凝产物的组成差异。

利用丝网反应器可以研究反应气氛和升温速率(可分段设置)对褐煤气化的影响(尤其是快速升温),也可以研究负载不同催化剂半焦的气化特性,还可以研究不同压力(0.25 MPa~15.00 MPa)对气化过程的影响。但丝网反应器为间歇操作,丝网间的煤样量仅几毫克,不利于后续分析。同时,丝网反应器虽可模拟工业气流床气化动力学过程,但与工业气化炉仍有很大差距,无法研究模拟气相的流场分布和气固相间的相互作用等。HINDMARSH et al[9]利用丝网反应器研究压力(0.1 MPa~3.0 MPa)对煤焦CO2气化反应的影响,结果发现,反应开始的20 s内,升高压力煤焦转化率直线增加,随着时间延长,压力影响逐渐变小,这和向银花等[10-11]利用热重研究CO2分压对气化速率的影响得到的实验结论一致。以上结论均可以用BLACK WOOD et al[12]提出的双复合物CO2气化机理进行解释,有力地佐证了该机理的正确性。

利用丝网反应器也可以研究快速升温及恒温条件下AAEMs对气化的催化作用,与夹带流反应器或流化床反应器不一样,丝网反应器更接近微分反应器,实验结果对应某一时间点而不是时间域。WATANABE et al[13]利用圆柱形丝网反应器研究了不同形态金属氧化物对褐煤低温氧化反应的催化作用,发现钾、钠、铜的醋酸盐可以促进氧化反应,氯化钾、氯化钙、醋酸镁抑制氧化反应。QIAO et al[14]采用丝网反应器考察了维多利亚褐煤在不同气氛下的着火点,发现AAEMs变化影响了焦的反应性,导致21%O2+79%CO2环境下的着火点比在空气中提高了210℃。

HOEKSTRA et al[15]开发的新型丝网反应器,升温速率可达10 000℃/s,丝网和丝网间煤炭放置用液氮冷却(温度小于-80℃)的容器内,在常压或真空(压强小于30 Pa)条件下,使热解/气化得到的气相产物瞬间液化,气相产物寿命小于15 ms~25 ms,远低于传统热解过程气相产物寿命(装置见图2[15])。新型丝网反应器的热解产物见图3(图中有/无液氮冷却分别用cooling和uncooling表示,Patm和Pvac分别表示常压和真空)。由图3可以看出,相对于无液氮快速冷却(uncooling),在液氮快速冷却(cooling)条件下,热解后产物中油产率明显升高,半焦和煤气收率明显降低(见图3a),但煤气组成变化不大(见图3b)。另外,采用高速摄像技术监控冷凝产物的数量和状态,并且与反应器内的压力进行对照,结果发现500℃时压力和冷凝物产量均约在0.8 s后不再发生变化,主要变化发生在0.5 s内,也就是说热解过程主要在0.5 s内进行(见图4[15])。

图2 Hoekstra开发的新型丝网反应器Fig.2 Scheme of wire-mesh reactor developed by Hoekstra 1—Vessel(glass);2—Mesh/biomass sample;3—Pyrometer spot;4—Liquid nitrogen bath(glass);5—Cupper electrode/clamp;6—Tape;7—Ther mocouple connection;8—Pressure sensor connection;9—Syringe(f or gas sampling);10—Vacuu m pu mp;11—Nitrogen gas

图3 新型丝网反应器的热解产物Fig.3 Yields and gas co mposition in novel wire-mesh reactor

图4 新型丝网反应器热解实验中反应器压力变化和冷凝物含量变化Fig.4 Pressure and condensate content in novel wire-mesh reactor

2 流化床-固定床反应器

褐煤中存在大量的AAEMs,它们对气化过程影响显著:一方面,AAEMs容易与其他金属氧化物(二氧化硅、氧化铝和氧化铁等)形成低温共熔物,加速煤灰的熔融结渣,严重时导致工业气化炉停车;另一方面,不同化学形态的AAEMs对气化反应存在一定的催化作用。为研究褐煤中AAEMs在气化过程中的迁移和催化机理,研究者开发了一段/二段式流化床-固定床反应器,该反应器还用于研究挥发分与半焦相互作用对褐煤气化过程的影响。

2.1 一段式流化床-固定床反应器

一段式流化床-固定床反应器是在流化床反应器基础上改造而成,主要包括上下两个平板气体分布器(筛板)和石英砂床等,具有流化床和固定床两种床型的特点(见图5)。上部是气体分布器,中间设置一个石英管,用于添加或移出石英砂,也可用于半焦的移出,下部是常见的流化床反应器。实际上,该反应器相当于在普通流化床反应器上部添加一个平板气体分布器,将流化床的内部空间进行二次分割。实验时,煤粉通过载气夹带进入反应器,形成类似沸腾状态的气固混合物,发生热解或气化反应(气化剂不同),半焦被气流夹带上升遇到上部的气体分布器后被截留下来,热态半焦黏结性强,黏附在气体分布器的下平面,随着进料时间的延长,不断累积,形成类似于固定床的床层。

图5 一段式流化床-固定床反应器Fig.5 Schematic diagram of one stage fluidisedbedfixedbed reactor

流化床-固定床反应器将气化产物中的气态和固态产物在热态下进行分离,避免了气态产物中的AAEMs等在低温下冷凝在焦表面,因此可以研究不同实验条件下AAEMs的变迁演化和半焦中AAEMs的赋存形态。QUYN et al[16]利用一段式流化床-固定床反应器研究了AAEMs在挥发过程中的形态迁移,结果发现,在脱挥发分和气化过程中,Na元素与Cl元素分别挥发,Na元素主要在热解时挥发。一般地,不同赋存形态的AAEMs对半焦气化的催化作用存在显著差异,赋存形态对AAEMs的催化作用具有决定性影响,如NaCl的催化作用远不如COONa的催化作用[6]。同时,不同热解温度和压力条件下制得半焦中AAEMs的赋存形态存在很大差异,也可能表现为AAEMs的催化活性差异。100%CO2气氛下焦中Na含量比0.4%O2+Ar气氛下高[17]。

如果连续进料,固定床中半焦持续暴露在挥发分气氛中,如果间歇进料,固定床中的半焦处于气化剂气氛下,避免了挥发分与半焦的相互作用,因此,一段式流化床-固定床反应器也可以用来研究挥发分与半焦的相互作用对半焦微观空隙结构和官能团变化的影响。一般地,挥发分与半焦的相互作用可以显著抑制气化反应。100 mg/min连续进料时在挥发分与半焦的相互作用下,进料10 min时半焦反应性约是进料30 min时半焦反应性的2倍,进料时间越长,固定床中半焦反应性越差。在无挥发分与半焦相互作用(间歇进料)时,随着制焦时间延长,制得的半焦反应性越强[7,18]。这是由于:1)挥发分重整产生的自由基占据半焦活性位促使半焦结构缩合,降低半焦的反应性[18];2)挥发分重整产生的自由基与半焦相互作用,影响半焦的微观结构,提高半焦芳香度,在一定程度上降低半焦活性[19]。另外,挥发分与半焦的相互作用影响AAEMs的迁移,尤其是对Na元素的挥发具有显著影响,改变Na元素的分布状态,挥发分与半焦的相互作用时间越长,所得半焦瞬时气化速率越低[20-21]。

当然,一段式流化床-固定床反应器也可以用来研究气氛、温度对气化过程的影响。TAY et al[17]以维多利亚褐煤为原料,利用一段式流化床-固定床反应器研究了15%H2O+Ar,0.4%O2+15%H2O+CO2,0.4%O2+CO2,0.4%O2+Ar和100%CO2气氛下褐煤的反应性变化,发现水蒸气和二氧化碳对半焦结构影响显著不同,在一定程度上佐证了焦-H2O与焦-CO2气化反应的机理不同,常用的水蒸气气化氧交换机理和解离吸附机理不一定适用于CO2气化反应,这与BLACK WOOD et al[12,22]的研究结果一致。另外,TAY et al[23]利用一段式流化床-固定床反应器还研究了15%H2+Ar,15%H2O+Ar和15%H2+15%H2O+Ar三种气氛对褐煤气化半焦结构的影响,发现氢气对气化过程具有抑制作用,同时发现在H2O气氛下半焦也可以通过氧化作用形成含氧结构,半焦中含有大量含氧基团。该研究结果与水蒸气气化的解离吸附机理吻合:首先,LONG et al[24]的研究表明,反应生成的H2以一定形式稳态存在于碳表面,占据吸附水蒸气分子的活性位,阻碍水蒸气气化反应的进行。事实上,H2对反应的阻滞作用已经被BAYARSAIKHAN et al[25]的研究证实;其次,水蒸气存在条件下,游离氢自由基加强了芳香环的缩聚,半焦中含氧基团才大量增多,支持了水蒸气解离吸附机理。

2.2 二段式流化床-固定床反应器

二段式流化床-固定床反应器也是在流化床反应器的基础上改造而成,包括上中下三个平板气体分布器(筛板),比一段式流化床-固定床反应器多了一个平板气体分布器(见图6)。实际上,该反应器相当于在普通流化床反应器的上部添加两个平板气体分布器,将流化床的内部空间进行分割。该反应器形成的固定床位于中间筛板上方,中间筛板下方空间为流化床区域。实验时,可以通过切换下部流化床有/无进料状态,更好地研究半焦与挥发分间的相互作用。下部流化床无进料时,只作为加热载体,下部流化床有进料(连续进料)时,所产生的挥发分会上行影响上部床层中半焦的气化过程。

图6 二段式流化床-固定床反应器Fig.6 Schematic diagram of t wo stage fluidised bedfixedbed reactor

利用二段式流化床-固定床反应器,LI et al[26-27]发现挥发分与半焦的相互作用不仅限于焦表面,也影响焦中芳香环的重整反应,使褐煤焦的芳香度增加,Na元素发生挥发,半焦活性下降[28]。这与一段式流化床-固定床反应器的实验结果完全一致。值得说明的是,对于一段式流化床-固定床反应器,研究者仅提出AAEMs赋存形态影响催化作用,对于二段式流化床-固定床反应器,研究者进一步提出了AAEMs赋存形态影响催化作用的具体途径即催化机理[6,16-17]。高活性AAEMs才有催化作用,可以与半焦官能团等发生离子交换,改变碳颗粒表面的电荷分布,形成活性位,以羧酸盐(R—COONa)形式存在的Na元素容易与活性基团发生离子交换,催化性能较好。相反,以硅酸盐形式存在的Na元素难以发生离子交换,基本没有催化作用[28]。同时,从赋存位置来看,只有依附在焦炭颗粒表面的AAEMs才有催化作用,能够催化焦油转化为CO和H2,挥发性的AAEMs没有催化作用,如挥发性的Na元素对水蒸气重整反应和气化反应均无催化作用[29]。

3 其他反应器

为有效降低挥发物与半焦相互作用对气化过程的抑制作用,LI et al[26-27]开发了双床气化炉,将挥发分析出过程和半焦气化过程分开进行,中间有热量耦合。图7所示为一种典型的燃烧-气化双床炉。目前尚无工业案例报道。

图7 燃烧-气化双床反应器Fig.7 Schematic diagram of dual bed gasifier of combustion and gasification

同时,研究者开发了套管式反应器,内管下部有石英过滤板和石英棉,进行气固分离,其结构见图8。BAYARSAIKHAN et al[30]在套管式反应器中研究了煤焦的水蒸气气化,发现催化气化和非催化气化是同时发生的,加热速率和气化压力等操作条件对半焦活性影响显著。

图8 套管式反应器Fig.8 Schematic diagram of double tubereactor

一些改造的新型管式炉[31-33]、固定床[34-35]、超临界水反应器[36]也被用于制取褐煤半焦及气化条件的优化研究,尤其是气化剂之间的竞争气化。CHEN et al[31]分别利用管式沉降炉制取褐煤快速热解半焦,利用固定床制取褐煤慢速热解半焦,然后利用TGA研究其反应速率,结果发现,在H2O+CO2复合气氛下半焦的气化速率小于H2O和CO2单独气氛下半焦的气化速率之和,但大于H2O或CO2单独气氛下半焦的气化速率,而且水蒸气气化对CO2气化具有阻碍作用。这可以用气化的解离吸附机理进行解释,该机理认为的速率相对于的速率明显较慢,且CO离开碳表面后不占据半焦-H2O的气化活性位,但可以占据半焦-CO2的气化活性位。水蒸气气化生成大量的CO抑制了CO2气化。无独有偶,在细长型的类似固定床反应器(Φ40 mm×1 100 mm)中进行的不同温度、气化气氛和加煤量等条件下的褐煤气化实验[34]表明,气化速率受气化剂之间竞争和气化产物的抑制作用较为明显,半焦在复合气氛中最高速率分别只有在纯气化剂(H2O和CO2)中最高速率的49%和69%,煤焦与CO2的反应受到明显抑制。这也与气化解离吸附机理吻合。温度是影响气化速率的首要条件,远超过压力的影响。例如,在高压管式炉中不同温度下压力对褐煤煤焦气化速率的影响不一样[33]。具体来看,在800℃~950℃时压力(2.0 MPa~2.5 MPa)对气化速率的影响很小,在1 000℃时压力升高对气化速率产生轻微抑制作用;将气化剂换成H2O,在900℃时,压力对气化速率的影响很小,在950℃时,压力对气化速率的促进作用开始显现[33]。这有可能是不同温度下褐煤气化时速率控制步骤和气化机理的差异性造成的,有待进一步研究。

这些改造的新型反应器也用来研究粒径对褐煤气化速率、转化率和煤气中有效气(H2+CO)体积分数的影响。多数研究表明,粒径越小,气化速率越快,相同时间下褐煤转化率越高。也有研究[37]表明,随着褐煤颗粒粒径增大,褐煤转化率呈抛物线状,存在最大值。这可能与研究者采用颗粒的粒径范围有关,前者采用的粒径正好落在抛物线的左半幅。同时,有研究[38-39]表明,同一种褐煤在相同气化温度和停留时间下,大粒径褐煤气化所得煤气有效气(CO+H2)体积分数大于小粒径褐煤气化所得煤气有效气(CO+H2)体积分数(见图9)。

实际上,粒径对褐煤气化的影响比较复杂,涉及温度、气氛、颗粒孔隙特征、分子扩散速率和气化速率等一系列问题,目前尚无系统研究。可能由于下面几个原因导致大粒径颗粒褐煤的气化速率或有效气(CO+H2)体积分数优于小粒径褐煤的气化速率或有效气(CO+H2)体积分数:1)不同的速率控制步骤。在相同的气化温度和气固相对速度下,小颗粒褐煤处于膜扩散或灰层扩散控制,而大颗粒褐煤处于气化反应速率控制,导致大颗粒褐煤具有较快的气化速率;2)不同的孔隙特征。相同的气化气氛和温度下,大颗粒褐煤具有更发达的内部孔隙结构,小孔和微孔结构丰富,导致大颗粒褐煤的气化反应性优于小颗粒褐煤的气化反应性;3)不同的表面化学结构(如官能团等)。相同的气化气氛和温度下,大颗粒褐煤表面具有更多的活性小分子基团;4)半焦孔隙结构和化学结构同时存在差异,即2)和3)同时存在。

利用上述原因可以对一些实验现象进行解释,例如孙德财等[40]利用贫氧燃烧产生的烟气对粉煤颗粒快速加热,制得大粒径和小粒径(平均粒径分别为16.9μm和2.2μm)半焦,通过表征半焦的空隙特征,发现小颗粒半焦的比表面积远小于大颗粒半焦的比表面积,而且小颗粒半焦主要以大孔为主,大颗粒半焦以小孔为主,同时小颗粒半焦在825℃和850℃的气化反应速率也低于大颗粒半焦的气化反应速率,但在875℃和900℃时出现逆转。这主要是因为,在低温下大颗粒半焦的气化反应受内扩散影响较小而具有较大的比表面积,导致反应速率较大,而在高温下内扩散影响加剧,导致反应速率下降,低于小颗粒半焦的气化反应速率。靳志伟等[41]研究了900℃~1 100℃时乌兰察布褐煤水蒸气气化特性,发现粒径在20 mm~30 mm褐煤的气化速率大于粒径为10 mm褐煤的气化速率,粒径在80 mm~90 mm褐煤的气化速率大于粒径为30 mm~40 mm褐煤的气化速率。气化速率由大到小的褐煤粒径依次为20 mm~30 mm,10 mm,80 mm~90 mm,30 mm~40 mm。总体上10 mm~30 mm小颗粒褐煤的气化速率大于30 mm~90 mm大颗粒褐煤的气化速率,小颗粒褐煤的气化速率较快。但分别对小颗粒褐煤和大颗粒褐煤二次分组,发现大颗粒褐煤的气化速率较快。这可能是由于褐煤颗粒的孔隙结构差异造成的,同时也说明粒径对气化的影响是非常复杂的,除了上文提到可能的解释,粒径范围的选择也是影响气化结果的重要因素,在不同的粒径范围内,粒径对气化的影响具有不同特征。同时,粒径与进料速率之间存在协同作用[37],对同一粒径的半焦颗粒,保持气化气氛(气氧质量比)不变,改变进料速率,半焦的转化率和煤气组成都有较大变化。关于该协同作用在不同操作条件(温度、压力和气氧质量比等)下的显著性及其作用机理等有待进一步的深入研究。

另外,在这些新型反应器实验中AAEMs的催化作用也得到验证。周晨亮等[35]利用微型固定床反应装置(Φ8 mm×80 mm)研究了胜利褐煤中矿物质对水蒸气气化的催化作用,结果发现,酸洗煤样和原煤的H2,CO2和CO生成速率存在明显差异,煤中盐酸溶性矿物质对水蒸气气化反应具有显著的催化作用,并且可以促进H2生成,抑制CO生成。进一步分析发现,催化作用主要是AAEMs提高变换反应速率造成的,并提出了相应的原位催化机理。鉴于AAEMs的催化作用,一些富含AAEMs的物质(如生物质、赤泥和疏浚底泥等)与褐煤共气化时可以加速气化速率,增大碳转化率等[36,42-43]。王奕雪等[36]研究了滇池底泥和褐煤共气化在间歇式超临界水反应装置中进行共气化实验,发现气化煤气富氢但产气量小;褐煤气化的碳气化率高、产气量大。相较于底泥与褐煤单独气化时碳气化率和产氢率的加权平均值,底泥与褐煤共气化时碳气化率和产氢率分别提高了3.12%和55 mL/g,这样既可处理底泥又可获得较高的H2和CH4产率(分别为350 mL/g和113 mL/g)。相对于采用外加纯净化合物(如Na2CO3)的方式,这些研究更加注重矿物形式的AAEMs的催化作用,也比较接近实际,因为煤中的AAEMs和泥中的AAEMs多是以硅铝酸盐等矿物的形态存在,在气化过程中发生形态的迁移和演变。

4 结论和建议

4.1 结论

丝网反应器、一段式或二段式固定床-流化床反应器、燃烧-气化双床反应器和套管反应器均是针对褐煤气化过程中某些气化特性(如负压热解、快速热解、挥发分快速冷凝及挥发分与半焦相互作用等)而开发的新型反应器。研究发现负压快速热解(10 000℃/s)的油产率远高于传统热解的油产率。挥发分与半焦相互作用对气化过程具有抑制作用,这主要由于挥发分重整产生的自由基占据半焦活性位或直接与半焦作用,促使半焦结构缩合,芳香度增大,反应性降低,该相互作用通过加速Mg,Ca,Na的挥发或改变其分布状态,从而降低气化反应速率。粒径对褐煤气化的影响具有双面性,可以从颗粒孔隙特征、分子扩散速率与气化速率等方面着手研究。

不同热解温度和压力制得的半焦中AAEMs的赋存形态和含量明显不同,而且不同赋存形态的AAEMs对半焦气化的催化作用存在显著差异。高活性的AAEMs才有催化作用,可以与半焦官能团等发生离子交换,改变碳颗粒表面的电荷分布,形成活性位,以羧酸盐形式存在的Na容易与活性基团发生离子交换,催化性能较好。相反,以硅酸盐形式存在的Na难以发生离子交换,基本没有催化作用。同时,只有依附在焦炭颗粒表面的AAEMs才有催化作用,挥发性的AAEMs没有催化作用。

目前的研究成果可在一定程度上为褐煤大规模高效气化提供一些支撑和参考,随着基础研究的深入,褐煤气化特性及其微观机理日益受到重视,促使研究者开发新型反应器。如何高效清洁地将褐煤的轻质组分尽量多地分离出来,获得高产率高品质油品,对褐煤实施分级利用是目前研究者关注的焦点,也是新型反应器开发的方向。

4.2 建议

1)AAEMs的赋存形态和赋存位置对其催化作用有显著影响,即吸附在半焦表面且具有高活性的AAEMs才有催化作用,AAEMs可以与半焦官能团等发生离子交换,改变碳颗粒表面的电荷分布,形成活性位。这是以外加纯净化合物的形式(如碳酸钾)研究催化过程而得到的,但实际上工业气化炉煤灰以各种矿物的形式存在,并且在高温条件下发生各种赋存形态的转变(挥发和迁移),其催化作用要复杂得多。如何将复杂过程分解开来,在接近真实气化条件下研究AAEMs的催化作用值得今后研究关注。

2)挥发分与半焦的相互作用可以显著抑制气化反应,主要有以下途径:①挥发分重整产生的自由基占据半焦活性位;②自由基促使碳结构中芳香环重整,芳香度增加,降低半焦反应性;③促使Mg,Ca,Na的挥发,改变催化剂的分布状态,降低气化速率。如何将挥发分与半焦相互作用对半焦炭结构芳香化的影响以及对AAEMs催化作用的影响最小化,为开发新型反应器提供了切入点,也为现有的流化床反应器改造升级提供借鉴。

3)粒径与气化速率正相关,但一些研究发现大粒径褐煤的气化速率高于小粒径褐煤的气化速率。粒径对褐煤气化的影响比较复杂,涉及温度、气氛、颗粒孔隙特征、分子扩散速率与气化速率等一系列问题,目前尚无系统的研究,可尝试从以下几方面着手:①不同的速率控制步骤。在相同的气化温度和气固相对速度下,小颗粒褐煤处于膜扩散或灰层扩散控制,而大颗粒褐煤处于气化反应速率控制,导致大颗粒褐煤具有较快的气化速率;②不同的空隙特征。相同的气化气氛和温度下,大颗粒褐煤具有更发达的内部孔隙结构,小孔和微孔结构丰富,导致大颗粒褐煤的气化反应性优于小颗粒褐煤的气化反应性;③不同的表面化学结构(如官能团等)。相同的气化气氛和温度下,大颗粒褐煤表面具有更多的活性小分子基团;④半焦空隙结构和化学结构同时存在差异(即②和③同时存在);⑤进行预实验,避开抛物线极值点,合理选择粒径范围。

4)在研究操作条件以及AAEMs的催化作用对气化的影响时,多数实验都是在贫氧(氧气体积分数小于5%)条件下进行的,依靠外热(如电加热)维持气化温度,但实际气化过程都是自热式的(燃烧部分碳提供气化热量),氧气浓度较高,炉内流场、气氛和催化作用等可能发生较大变化。因此,研究自热式条件下新型反应器中气化动力学、AAEMs的催化作用及半焦与挥发分相互作用等,对新型反应器的开发和结构优化具有指导意义。