长广煤燃烧硫析出动态特性研究

报道了长广煤燃烧过程中硫动态析出特性的试验结果,试验表明,煤中硫析出有两个明显的峰值,其析出过程与煤中硫赋存形态有很大关系,温度对硫析出影响很大,它能促进煤中更多的硫提前释放,此外,钙基添加剂对煤燃烧硫析出有抑制作用,但要根据煤中硫赋存形态选择不同的添加剂。     

煤燃烧过程中氟析出特性与生成机理

通过建立的固定床管式炉煤燃烧氟析出试验装置，研究了煤燃烧过程中气态氟的排放特性，并根据燃煤氟析出等温动力学实验建立了气态氟生成动力学模型。结果表明：氟析出率随燃烧温度的升高而逐渐增加，煤中氟在300 ℃～400 ℃开始析出，500 ℃～1 100 ℃为主要析出温度范围；氟析出率随煤在炉内停留时间的增加而增加，但前5 min为主要析出阶段；炉内还原性气氛对氟析出有一定的影响；氟析出率与煤中氟赋存形态和含氟量有关。燃煤过程中氟析出过程可用一级反应动力学描述，反应活化能E和频率因子A依赖于煤中氟的赋存形态和氟化物的热稳定性。不同煤种E为28.0 kJ·mol－1～65.1 kJ·mol－1，A为12.5 min－1～46.0 min－1。     

煤中氯在亚临界水条件下的变迁

运用半连续反应装置对山西吴家坪煤和四川华蓥山煤中氯在亚临界水条件下的脱除规律及形态变化进行了研究。考察了反应温度和压力对氯脱除率的影响；同时还运用化学提取法对原煤及残渣中氯的形态进行了研究。研究结果表明,随着反应温度的升高，煤中氯的脱除率也增加，在410℃、15MPa、60min、水流量为580mL/h时，吴家坪煤中氯的脱除率为84.6%，华蓥山煤中氯的脱除率为72.4%。吴家坪煤中氯在15MPa时的脱除率最大。华蓥山煤中氯主要以有机氯的形态存在，而吴家坪煤中氯有8%为离子可交换态的无机氯，其余为有机结合的氯；在亚临界水萃取煤的过程中，离子交换态结合的有机氯比共价键结合的有机氯更容易挥发,有机氯要首先转化为无机氯然后再逸出。     

高硫炼焦煤化学结构及硫赋存形态对硫热变迁的影响

利用红外、拉曼、热重及XANES等技术对不同煤阶高硫炼焦煤的化学结构、原煤及焦样形态硫分布进行了准确判定,对煤中化学结构及硫赋存形态与硫的热变迁行为进行了关联分析。结果表明,高硫炼焦煤中硫的热变迁行为不仅与硫赋存形态有关,而且受化学结构不同的高硫炼焦煤热解挥发分释放特性的影响。较低煤阶高硫炼焦煤中脂肪结构热分解产生大量挥发分,且挥发分释放温区较宽,形态硫分解产生的活性硫与挥发分中富氢组分相结合,形成更多的含硫气体转移到气相中,提高了热解脱硫率,焦炭体相中噻吩硫相对含量高于表面,硫化物硫则与之相反。煤化程度升高,煤中稳定噻吩类硫含量增多,挥发分释放量减少,热解脱硫率降低,且形态硫在焦炭体相与表面的分布差异不明显。无机硫脱除率与黄铁矿硫分解程度直接相关,热解过程中也将形成部分新的无机硫滞留于焦中。煤结构及有机硫的赋存形态决定了有机硫脱除率,煤阶升高时有机硫脱除率明显降低。     

煤在不同O2/CO2气氛下燃烧硫析出特性研究

研究了煤在不同氧体积分数、混有CO2气氛下燃烧硫析出特性，结果表明，煤在低氧、混有CO2气氛下燃烧，SO2和H2S析出速率曲线均呈现双峰结构，H2S析出率明显增大，硫析出时间延长；在高氧气氛下，SO2和H2S析出速率曲线均呈现单峰结构，硫析出时间缩短。煤在低氧体积分数、混有CO2气氛下燃烧能够改善煤灰自固硫能力，降低硫的最终析出率；煤在高氧体积分数、混有少量CO2气氛下燃烧与空气气氛下燃烧相比，硫的最终析出率无明显变化。     

燃烧氧化偶联离子色谱法检测甲醇、碳黑中氯和硫

提出采用燃烧氧化偶联离子色谱法测定甲醇、碳黑中的氯和硫的含量。方法通过在管式炉中燃烧将甲醇、碳黑中的氯及硫转化为Cl2、HCl,SO2,SO3等气态物质。选用I-/I3-溶液作为燃烧产物的吸收剂。I-/I3-溶液既作氧化剂又作还原剂,将Cl2、HCl转化为Cl-,将SO2、SO3转化为SO42-。用离子色谱法测量吸收剂中Cl-和SO42-的含量进而推算甲醇、碳黑中氯和硫的含量。实验结果表明,该方法简单、准确、灵敏。氯和硫的检出限分别为9.71μg/g和1.64μg/g。     

程序升温还原法研究氧化对煤中硫形态及结构的影响

用程序升温还原法研究了三种不同硫含量的煤被空气和HNO3氧化后含硫气体的逸出规律。结果表明，空气和HNO3氧化后，尽管煤中有机硫总量变化不大，但煤中H2S的释放量有所下降，而COS和SO2的生成量明显增加，这说明氧化作用使得煤中弱的有机硫变成S=O和SO2结构。与以往的研究结果不同的是，发现CS2的生成与FeS密切相关，同时对HNO3氧化后的煤来说，CS2的生成主要以气相中H2S和COS的反应为主。空气氧化后煤中CS2的生成量与原煤的差不多，但HNO3氧化后煤中释放出的CS2有所下降。提出通过（COS+SO2）/H2S的比值来研究煤及其中硫被氧化的程度，并对比了不同煤种及氧化后样品的气相含硫化合物发现：随变质程度的提高和煤中噻吩硫含量的增加，煤被氧化的程度下降。对同一煤种而言，HNO3的氧化程度要高于空气氧化的。     

煤与混合废塑料共热解固体产物中氯的赋存形态及在燃烧时的释放特性

通过红外光谱、热重 质谱及燃烧 水解实验，研究了煤与废塑料共热解固体产物中氯的赋存形态及在燃烧过程中氯的释放特性。结果表明，温度低于600℃热解的半焦中存在有机氯化合物；600℃以上热解的半焦（或焦炭）中氯主要以无机盐类存在。燃烧过程中氯的释放率与燃烧温度，煤与废塑料共热解的温度以及共热解时废塑料的加入量有关。燃烧温度越高，氯的释放率越大，900℃燃烧时，氯的释放率都在94%以上；在同一温度燃烧时，热解温度越高，氯的释放率越低。400℃热解的半焦最高释放率达99.86%，而1000℃热解的焦炭的最高释放率为94.35%。     

煤中氮热解析出转化的颗粒模型研究

采用数值模型，研究了煤热解、燃烧过程中挥发分氮的析出、中间含氮产物HCN的生成以及转变为NO的过程。应用有限体积法对质量、化学组分、动量和热量守恒方程进行离散求解，并与试验结果进行了比较。研究结果揭示了炉膛温度、颗粒直径以及氧浓度等参数对煤中挥发分氮的析出和进一步转化为NO过程的影响。     

SO_2和H_2O(g)对新疆高钠煤中钠挥发和形态迁移的研究

在水平管式炉上进行了400-1 100℃新疆高钠煤恒温燃烧实验,并利用逐级提取的方法分析煤及煤灰中钠的赋存形态,研究煤中钠的释放和形态迁移特性。重点考察700和1100℃下H_2O(g)和SO_2(g)单因素及双因素对煤中无机钠挥发和形态迁移的影响。结果表明,随着温度的升高,煤中钠的释放比例逐渐增大,其中,有机态钠最先析出,其次是水溶态无机钠,硅铝酸盐形式的无机钠则由于高热稳定性不易分解或挥发。低温下(700℃)H_2O(g)的存在降低了钠的挥发,而较高温度下(1 100℃)焦炭与水蒸气反应生成的局部还原性气氛促进煤中钠的挥发,但当入口气氛中H_2O(g)浓度高于20%时,促进作用减小。SO_2的存在抑制了煤中钠的挥发,随着燃烧温度升高,SO_2对钠的抑制作用减弱。H_2O和SO_2双因素作用下,低温下(700℃)抑制了煤中钠的挥发,而较高温度下(1 100℃)钠的挥发特性取决于两者在入口气氛中的浓度。对于选取的高钠煤,20%H2O和2.0×10-3SO_2入口气氛下,1 100℃煤燃烧钠的挥发比例由86%提高到了87.1%。     

CO_2气氛对煤热解过程中硫逸出的影响

采用热解-质谱(Py-MS)与热解-气相色谱(Py-GC)相结合的方法对平朔(PS)和义马(YM)原煤、脱灰煤及其脱黄铁矿煤进行了热解实验,考察了CO_2气氛对煤热解过程中硫逸出行为的影响。并采用质谱在线分析H_2S、COS和SO_2的逸出曲线,利用气相色谱分析H_2S、COS和SO_2在气相中的逸出量。结果表明,CO_2气氛有利于H_2S、COS和SO_2进入气相,且逸出量增加,而COS增加幅度更大。同时,CO_2气氛有利于H_2S和SO_2最大逸出峰温提前。另外,CO_2气氛对原煤的H_2S、COS和SO_2逸出温度影响较大,但对脱灰煤的影响较小。在较高的温度下,CO_2有利于煤中稳定有机硫的分解。这进一步验证了在较高温度下COS形成与CO相关,而在较低温度下与CO无关。     

TG-MS与Py-GC相结合法研究惰性气氛下含硫模型化合物热解过程中硫的脱除及释放行为研究

采用热重-质谱法(TG-MS)和热解-气相色谱法(Py-MS)相结合的方法对模型化合物(十四硫醇、二丁基硫醚、苯硫醚、二甲基噻吩、苯并噻吩和二苯并噻吩等)在惰性气氛下硫的脱除及释放行为进行研究。惰性气氛下硫的脱除顺序为:十四硫醇>二丁基硫醚>二甲基噻吩>苯并噻吩>苯硫醚>二苯并噻吩,苯硫醚除外,该顺序与含硫官能团的热分解顺序一致。在热解过程中,所有模型化合物在质谱和气相色谱仪上均被检测到SO₂;除苯硫醚和二苯并噻吩外,其他模型化合物中均检测到了COS;而只在十四硫醇、二丁基硫醚和二甲基噻吩中检测到了H₂S。且热解气中SO₂含量要显著高于H₂S和COS。这是由于活性炭作载体时,惰性气氛下内部氢的含量显著小于内部氧的含量,所以大多数的含硫自由基易与内部氧结合以SO₂的形式逸出。对于苯硫醚、苯并噻吩和二苯并噻吩中没有检测到H₂S,是由于内部氢的不足,使得含硫自由基不能与内部氢结合,所以没有检测到H₂S逸出。     

Ni的引入对Cu/γ-Al_2O_3催化剂上含硫低浓度甲烷燃烧特性的影响

采用共浸渍法制备了不同Ni含量的Cu/γ-Al2O3催化剂,在固定床反应器上考察了该催化剂在含硫(SO2,0.01%,体积分数)气氛中对低浓度甲烷(3%)的催化燃烧活性及抗硫中毒稳定性。结果表明,SO2会使Cu/γ-Al2O3催化剂发生硫中毒,Ni的加入可增强其抗硫性能,而且随着Ni含量的增加,其抗硫性改善效果越明显。在Ni含量为10%的Cu/γ-Al2O3催化剂上反应10 h后,甲烷转化率仍可保持在96%以上。SEM、XRD和TPD表征结果显示,Ni的加入促使Cu/γ-Al2O3催化剂表面生成NiAl2O4尖晶石相,提高了催化剂的稳定性。随着Ni含量的增加,催化剂表面Lewis酸性降低,吸附SO2的能力减弱,可延缓催化剂硫中毒,同时也缩短了CO2分子在催化剂表面的停留时间,从而提高了甲烷催化燃烧效率。     

硫中毒对Cu/γ-Al_2O_3催化含硫低浓度甲烷燃烧特性的影响

采用浸渍法制备了质量分数11.32%Cu/γ-Al2O3催化剂,采用固定床反应器,考察了SO2浓度(0~0.02%)对低浓度甲烷(体积分数,3%)催化燃烧特性的影响,通过反应前后催化剂的微观结构及化学成分检测,结合理论分析,探讨了催化反应的硫中毒原因。研究表明,SO2的通入导致了Cu/γ-Al2O3催化剂活性及稳定性的降低,在同一反应温度下,甲烷转化率随着SO2浓度的增加而下降。SEM、EDS、FT-IR、XRD表征结果表明,SO2会导致Cu/γ-Al2O3催化剂表面出现结块现象,催化剂表面有硫元素的累积,且以硫酸盐的形式存在,其主要成分为硫酸铜(CuSO4)。在富氧条件下,SO2分子及氧离子在Cu2+上吸附所形成的硫酸铜,附着在催化剂表面,形成一层坚硬的外壳,是产生硫中毒现象的根本原因。     

煤粉的增压富氧燃烧特性及煤灰矿物演变

为了更好地了解煤粉在增压富氧条件下的燃烧过程,利用加压热天平(PTGA)结合X射线衍射仪(XRD),研究了增压富氧燃烧条件下压力对煤粉燃烧特性及煤中矿物演变的影响。研究表明,随着压力的升高,煤粉常压时的非均相着火逐渐转变为均相着火,当压力升高到3 MPa开始向非均相着火过渡,并在5 MPa时完全转变成非均相着火。由于煤粉着火机理的转变,综合燃烧特性指数S随着压力的增加先升高后降低。不同的着火机理下,煤粉的燃烧温度也会有所差别。常压时非均相着火较高的燃烧温度使得反应生成了莫来石等矿物,而1 MPa时均相着火较低的燃烧温度则使得煤灰中出现了伊利石等矿物。压力继续升高,均相着火开始向非均相着火过渡,燃烧温度逐步升高,伊利石逐渐转变为莫来石。     

增压O_2/CO_2气氛下煤燃烧特性实验研究

增压O2/CO2燃烧是一种可高效分离回收CO2的新兴燃烧技术,其燃烧机理与常压空气、常压O2/CO2燃烧存在较大差异。在加压热重分析仪上研究了增压条件下总压、氧浓度、气氛及粒径等反应参数对美国烟煤和淮北无烟煤燃烧特性的影响,确定了煤的着火温度,并对其进行燃烧动力学分析。结果表明,增压O2/CO2气氛下,随着压力或氧浓度的增加,DTG曲线向低温区移动,煤样整体燃烧速率加快。压力提升、氧浓度增加及煤粉细化均可改善O2/CO2气氛下煤样的着火特性。常压O2/CO2气氛下煤粉燃烧基本属于一级反应;增压O2/CO2气氛下,低温区属于0.5级反应,而高温区属于1.5级反应。     

贫煤O_2/CO_2气氛下燃烧时内在矿物质对SO_2和NO_x排放特性的影响

利用管式炉反应器在550-1 000℃对长治贫煤和脱矿物质煤分别在空气和O_2/CO_2气氛进行了燃烧实验。利用XRF、XRD等分析手段,对煤样的基本性能进行了分析表征,并采用热分析仪(TG-DTG)以及傅里叶红外气体分析仪(AntarisIGS)对贫煤燃烧过程中的燃烧特性和SO_2和NO_x释放规律进行了研究。结果表明,与原煤相比,脱矿物质煤的着火温度和燃烬温度有所降低;O_2/CO_2气氛下,原煤和脱矿物质煤的着火温度和燃烬温度都升高,说明当O_2浓度为20%时,空气气氛比O_2/CO_2气氛更易于着火和燃烬。此外,与长治原煤相比,脱矿物质煤在相同条件下燃烧时SO_2的释放量明显提高,而NO_x的释放量却有所降低。O_2/CO_2气氛下原煤燃烧时SO_2浓度比空气气氛下的要高,而脱矿物质煤燃烧时释放的SO_2浓度明显比空气气氛下的低;O_2/CO_2气氛下原煤和脱矿物质煤燃烧时释放的NOx浓度比空气气氛下燃烧时释放的NO_x浓度要低。     

The direct synthesis of dimethyl ether from syngas over hybrid catalysts with sulfate-modified γ-alumina as methanol dehydration components

A series of γ-Al₂O₃ samples modified with various contents of sulfate (0–15 wt.%) and calcined at different temperatures (350–750 °C) were prepared by an impregnation method and physically admixed with CuO–ZnO–Al₂O₃ methanol synthesis catalyst to form hybrid catalysts. The direct synthesis of dimethyl ether (DME) from syngas was carried out over the prepared hybrid catalysts under pressurized fixed-bed continuous flow conditions. The results revealed that the catalytic activity of SO₄²⁻/γ-Al₂O₃ for methanol dehydration increased significantly when the content of sulfate increased to 10 wt.%, resulting in the increase in both DME selectivity and CO conversion. However, when the content of sulfate of SO₄²⁻/γ-Al₂O₃ was further increased to 15 wt.%, the activity for methanol dehydration was increased, and the selectivity for DME decreased slightly as reflected in the increased formation of byproducts like hydrocarbons and CO₂. On the other hand, when the calcination temperature of SO₄²⁻/γ-Al₂O₃ increased from 350 °C to 550 °C, both the CO conversion and the DME selectivity increased gradually, accompanied with the decreased formation of CO₂. Nevertheless, a further increase in calcination temperature to 750 °C remarkably decreased the catalytic activity of SO₄²⁻/γ-Al₂O₃ for methanol dehydration, resulting in the significant decline in both DME selectivity and CO conversion. The hybrid catalyst containing the SO₄²⁻/γ-Al₂O₃ with 10 wt.% sulfate and calcined at 550 °C exhibited the highest selectivity and yield for the synthesis of DME.     

Electron beam process for SO2 removal from flue gases with high SO2 content

Flue gases with high SO₂ concentration are emitted from different industrial processes, e.g. combustion of coal with high sulfur content, copper smelting and sintering plant. The application of the electron beam process for SO₂ removal from such flue gases was investigated. A parametric study was carried out to determine the removal efficiency as a function of temperature and humidity of irradiated gases, dose and ammonia stoichiometry. At the dose 11.5 kGy 95% SO₂ removal efficiency was obtained when the temperature and humidity of irradiated flue gases and ammonia stoichiometry were properly adjusted. The synergistic effect of high SO₂ concentration on NO_x removal was observed. The collected by-product was the mixture of (NH₄)₂ SO₄ and NH₄NO₃. The content of heavy metals in the by-product was many times lower than the values acceptable for commercial fertilizer.     

添加Cl离子对V_2O_5-WO_3/TiO_2催化剂低温NO转化率的影响

考察添加不同含量Cl离子对浸渍法制备的Cl-V_2O_5-WO_3/TiO_2催化剂低温NO转化率的影响。随着Cl离子质量添加量从0增加到2.5%,Cl-V_2O_5-WO_3/TiO_2催化剂NO转化率先升高后降低,结合在含有SO_2和H2O的SCR实验结果,确定1.5%Cl-V_2O_5-WO_3/TiO_2为性能最优催化剂。在反应温度为149-362℃,NO转化率大于95%;在145-385℃,NO转化率大于90%。采用XRF、BET、XRD、TG、FT-IR和H2-TPR等方法表征了催化剂的物理化学性能和结构。结果表明,在反应气氛中加入SO_2和H2O后,催化剂比表面积和孔容均减小,副反应产物含有NH+4和SO_2-4。适量Cl离子可以抑制硫物种沉积,减少副反应产物生成,增强催化剂抗中毒能力。