稀土元素在煤燃烧过程中形态演变规律模拟研究EI北大核心CSCD

针对目前煤和粉煤灰中稀土元素赋存状态关系不明确的问题,研究煤系稀土元素赋存状态在燃烧过程中的转化行为具有重要意义。选取煤系稀土赋存的模型矿物,通过滴管炉进行模拟燃烧,采用热重分析、XRD分析、SEM-EDS和逐级化学提取探究不同赋存形态稀土的演变规律,结果表明:以独居石为代表的磷酸盐稀土资源在燃烧过程中化学性质并未改变,仅粒度减小;以氟碳铈矿为代表的碳酸盐稀土资源在燃烧过程(350~580℃)发生分解和氧化反应,转化为铈的氧化物和氟化物,其中的稀土元素更易在温和条件下浸出;以离子型稀土矿为代表的黏土矿物中稀土资源根据燃烧温度可以两种状态,800℃时,石英和长石等存在其中,高岭石等发生脱氢反应,产物呈碎屑状、无规则状,逐级化学提取中稀土元素浸出率提高,1200℃,石英存在,铝硅酸盐矿物主要转化为莫来石,颗粒呈现球状和片状,不利于稀土元素浸出;以改性褐煤(通过离子吸附负载铈)为代表的有机质中稀土资源,燃烧后离子态的铈变成了铈的氧化物。     

氧化锌颗粒脱硫中固体扩散的动力学分析

用电子探针显微分析 (EPMA)对ZnO基脱硫剂的脱硫颗粒径向硫分布行为进行了考查 ,对颗粒最外层粒子的实验结果分别用未反应收缩核模型及改良收缩核模型进行了动力学处理 ,给出了固体扩散活化能的参数估值。通过与热重研究的比较 ,进一步证实了固体粒子扩散的作用。     

稀土氧化物在高炉喷吹煤粉助燃催化剂中的应用及机制分析

在模拟高炉喷吹条件下,对添加CeO2和La2O3的混合煤粉进行了燃烧反应试验,考察了稀土氧化物对高炉喷吹煤粉燃烧过程的影响,为探讨其助燃作用机制,采用等离子体热解试验模拟煤粉在高炉风口回旋区的快速热分解过程,考察了稀土氧化物助燃催化剂对煤粉挥发分挥发过程的影响;采用固定碳在空气气氛条件下的差热和热重试验(TG&DTA)模拟稀土氧化物助燃催化剂对煤粉中固定碳在高炉风口条件下燃烧过程的影响,提出了稀土氧化物对煤粉挥发分挥发过程和固定碳燃烧过程的助燃催化作用机制.     

铜基载氧体与可燃固体废弃物化学链燃烧特性研究

采用机械混合法制备了铜基载氧体,利用两段式管式炉反应平台和磁悬浮热重分析仪分别研究了铜基载氧体与石墨、可燃固体废弃物典型组分及可燃固体废弃物热解气模型物CH₄的化学链燃烧特性。结果表明,机械混合法制备的Cu80Si950载氧体强度高,具有良好的转化率和循环稳定性,是实现可燃固体废弃物化学链燃烧的一种比较理想的载氧体。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和颗粒强度测定仪对各个反应阶段载氧体进行分析。结果表明,Cu80Si950载氧体参与反应后表面结构发生巨大改变,机械强度骤降。多次循环之后载氧体结构趋于规则均匀化,形成类似球棒形状的大孔隙率结构,强度保持不变,使得载氧体在长时间使用过程中反应性能得以维持。     

制革、造纸和湖泊污泥燃烧特性的研究

利用热重分析法对城市湖泊污泥、制革污泥,以及两种造纸污泥进行了实验研究,并分析了污泥的燃烧特性。结果表明,四种污泥都具有高挥发分、高灰分、低热值的特点。污泥的燃烧分为挥发分燃烧和固定碳燃烧两个阶段,除了制革污泥在两个阶段失重份额相当外,湖泊污泥和造纸污泥的挥发分燃烧阶段失重都超过燃烧总失重的70%,表明挥发分是污泥中的主要可燃成分,而且挥发分和燃烧过程温度范围比较宽。污泥的挥发分燃烧DTG峰有明显的多峰叠加现象,表明污泥的挥发分析出组分较为复杂。运用Coats-Redfern积分法进行动力学分析后表明,大部分污泥的燃烧过程为二级反应,污泥燃烧的活化能较低。     

O2/CO2循环燃烧方式下矿物元素蒸发特性的热力学研究

运用热力学平衡计算方法（F*A*C*T）对O2/CO2循环燃烧方式下矿物元素的蒸发特性进行了研究，并采用高温热天平进行了实验验证。结果表明，各矿物元素蒸发的主要形态分别是Na(K)Cl(g), FeO(g)和SiO(g)，反应气氛和温度对矿物元素蒸发形态和蒸发率有明显影响。O2/CO2循环燃烧方式下矿物元素的蒸发率均小于常规空气燃烧，尤其是还原性气氛中，当温度为2400 K时，常规空气燃烧矿物总蒸发率为9.65％，而O2/CO2循环燃烧方式矿物元素总蒸发率仅为4.46％。实验值比计算值略高，但主要趋势相同。     

胜利褐煤燃烧中未反应残留物结构特性及铁的添加效应

利用TGA确定胜利褐煤盐酸脱灰煤和添加铁组分脱灰煤的着火温度,在着火温度进行燃烧反应,收集燃烧反应一定时间后的未反应残留物,利用FT-IR、XPS、XRD和Raman等对其进行表征,研究了胜利褐煤燃烧过程中铁的影响规律。结果表明,铁的加入降低脱灰胜利褐煤的着火温度,当添加量为3.50%时,着火温度降低的幅度最大。在着火温度燃烧反应一定时间后未反应残留物的FT-IR表明,其有机官能团结构无显著变化,说明铁的添加并不影响其有机官能团结构特性,有机官能团不会对燃烧性能产生太大的影响。添加铁使SL+在燃烧过程中未反应残留物结构芳香度下降,晶面间距增大,晶体结构中缺陷位相对增加,石墨化程度降低,烷基侧链增多,碳氧结构迅速减少,说明铁组分的加入改变了其燃烧过程中碳氧结构转化特性,抑制了石墨化转化速率与程度,即在燃烧反应过程中改变了其未反应残留物的微结构,从而改变了其反应历程,加速燃烧反应速率。     

CO2矿化反应基础研究 I.镁橄榄石和蛇纹石盐酸浸出动力学研究

对盐酸浸取镁橄榄石和蛇纹石的过程进行了研究,考察了酸浓度、浸取温度对镁浸出率的影响。结果表明,提高酸浓度和浸取反应温度能够提高镁橄榄石和蛇纹石中镁的浸出率。采用单粒级矿物原料浸出实验获得的动力学数据,利用收缩核模型分析了橄榄石和蛇纹石的镁浸出过程动力学,镁橄榄石浸出动力学属表面化学反应控制,而蛇纹石浸出反应为产物层扩散控制。两种矿物结构的差异影响镁浸出的难易程度,也决定了不同的浸出动力学行为。     

水煤浆气化炉气化过程的三区模型

本文提出了水煤浆气化过程的三区模型，即燃烧区、二次反应区、回流化学反应区。在燃烧 区中，首先进行反应的是回流流股中的可燃组分，其次是煤中的挥发分及碳等；二次反应区主要是燃烧产物的均相或非无相反应；回流区的化学反应则与喷咀结构，射流速度密切相关。各区的反应既不受热力学限制，也不为动力学控制，反应结果完全依赖于喷咀与护体匹配形成的流场；其中回流是一个重要的工程因素，适当的回流量有利于二次反应的进行。     

硅酸镁在氢氧化钠亚熔盐体系中的溶解行为

采用液相法合成硅酸镁(MgSiO3),研究其在氢氧化钠高浓介质体系中的溶解行为,探讨了液固比、氢氧化钠初始浓度和反应温度对硅酸镁中氧化硅反应率的影响,用液-固多相收缩未反应核模型研究其在氢氧化钠高浓介质体系中的反应动力学.结果表明:硅酸镁在氢氧化钠高浓介质体系中溶解过程的控制步骤为界面化学反应控制,硅酸镁脱硅反应的表观活化能为31.664 kJ/mol,反应级数为1.98.此方法研究硅酸镁的溶解行为,为中低品位红土镍矿的合理利用提供理论依据.     

宁东煤煤焦-CO2气化反应特性的原位研究

以典型宁东煤-梅花井烟煤和羊场湾烟煤焦为气化样品,并与典型气化用煤-神府烟煤焦对比,采用热重分析仪及高温热台-光学显微镜联用系统原位研究煤焦气化反应活性,并结合焦样理化结构特性的系统表征对其进行关联解释。结果表明,在相同气化温度下,三种煤焦的气化反应活性大小顺序为：羊场湾烟煤焦 > 梅花井烟煤焦 > 神府烟煤焦。由高温热台实验原位研究可知,随着煤焦-CO₂反应的进行,大部分煤焦颗粒反应形式以颗粒收缩进行,到达反应中后期,反应由颗粒收缩转变为缩芯形式,并通过投射面积收缩率可发现,相同反应时间下,羊场湾烟煤焦的投射面积收缩率最大,其后依次为梅花井烟煤焦和神府烟煤焦。气化反应活性的差异主要归因于不同煤焦理化性质间的差异：羊场湾烟煤焦的比表面积、炭结构无序化程度和K、Na、Ca总含量最大,其后依次为梅花井烟煤焦和神府烟煤焦。     

O_2/CO_2气氛添加高岭石对燃煤PM_(2.5)排放的影响

采用管式炉研究了在O2/CO2气氛下添加高岭石对PM2.5(空气动力学直径小于2.5μm的颗粒物)排放特性的影响。实验采用荷电低压撞击器(ELPI)采集和分析燃烧后的PM2.5。结果表明,添加高岭石是燃烧过程中影响PM2.5生成的重要因素。添加高岭石后,生成PM1的数量和质量浓度均降低,而PM1-2.5的数量和质量浓度均略有增加,PM2.5粒径分布均呈双峰分布,峰值点分别出现在0.2μm和2.0μm左右。随着高岭石添加质量比的增加,PM2.5中的S、Pb、Cu、Na和K五种元素的浓度呈下降趋势。粒径小于0.317μm的亚微米颗粒通过气化-凝结机理形成,而超微米颗粒则是通过亚微米颗粒凝聚、聚结和矿物质熔融、破碎、聚结形成。     

低活性无烟煤固定床二氧化碳催化气化反应动力学研究

在内径18 mm的固定床反应器中研究了福建低活性无烟煤二氧化碳催化气化反应动力学。考察了消除内外扩散影响的实验条件。在750 ℃～907 ℃，以碳酸钠为催化剂分别测定了永安丰海筛无烟煤、永安加福筛无烟煤和永定无烟煤的转化率与时间的关系；以碳酸钾及纸浆黑液为催化剂测定了永定无烟煤的转化率与时间的关系。永安加福筛无烟煤采用均相一级反应模型及未反应缩芯模型进行拟合，得出气化反应速率常数、反应活化能和指前因子，与热天平的实验结果进行比较，固定床反应速率常数明显变大，活化能和指前因子也大，是由于固定床中有较高的二氧化碳到煤粒表面的传递速率和较高的升温速率所致。     

Analysis of the dynamics of coal char combustion with ignition and extinction phenomena: Shrinking core model

Single‐particle combustion of coal char is analyzed using a generalized shrinking core model. Finite volume method, which was earlier employed by the authors in solving moving boundary problems involving fluid–solid noncatalytic reactions in general, is used to solve fully transient mass and energy equations. The model takes into account convection and diffusion inside the particle as well as in the boundary layer. The computed results are compared with the experimental data of the authors for combustion of coal char in a fluidized bed combustor. The effects of parameters such as bulk temperature and initial particle radius on the combustion dynamics are examined. The phenomena of ignition and extinction are also investigated. Finally, the importance of Stefan flow, originating due to nonequimolar counterdiffusion, on combustion of coal char is analyzed. © 2008 Wiley Periodicals, Inc. Int J Chem Kinet 40: 569–582, 2008     

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。     

神华煤直接液化残渣萃取残渣焦气化动力学研究

在热天平上分别考察了甲苯、苯及乙醇萃取液化残渣热解焦在水蒸气和CO2气氛下的气化动力学,并对比了液化残渣热解焦在相同条件下的气化反应性。结果表明,温度是影响残渣焦气化反应速率的重要因素;超临界溶剂对残渣的萃取使得残渣焦中碳基质的有序度有所降低,并在一定程度上增加了残渣焦的孔结构,因此,提高了残渣焦的气化反应性;残渣焦孔结构不发达,可以使用化学反应控制未反应收缩核模型预测残渣焦的气化反应过程。     

煅烧煤系高岭土粒度分布的分形特征

通过分析煤系高岭土及其煅烧产物的粒度,得出：煤系高岭土的粒度分布具有分形规律,同时发现煤系高岭土的普度变化包括膨胀阶段和收缩阶段,并且与高岭土的结构变化相关,计算不同煅烧温度的煅烧产物的粒度分布分维数,并得出分维数与煅烧的关系曲线,由此关系曲线可较容易地确定出煤系高岭土的煅烧温度。     

氧气浓度对劣质煤掺混生活污泥燃烧特性的影响

采用热重分析方法研究了劣质煤掺混生活污泥在氧气浓度20％、30％、50％、70％、90％条件下的燃烧特性和动力学特性.随着氧气浓度的增加,失重率曲线DTG向低温区移动.对着火温度、失重率峰值以及对应温度、燃尽温度、混合物燃烧综合特性指数进行了对比分析,并对固定碳燃烧阶段的表观活化能进行了计算,结果表明,提高氧气浓度能显著改善燃烧条件,表观活化能随着氧气浓度的提高而增大,随掺混比的增加而减小.定义燃烧促进因子C.E.F.(Combustion Enhancement Factor)表征燃料内外部燃烧促进条件,在固定碳燃烧段,燃烧促进因子随氧气浓度增加迅速增大,表明增大氧气浓度对燃烧具有良好促进作用.燃烧促进因子C.E.F.与表观活化能之间具有动力学补偿效应.     

O2/CO2燃烧气氛对混煤灰中矿物质间反应影响研究

对蒙煤与平七煤两种单煤及其按照不同比例组成的混煤,分别在O₂/CO₂和O₂/N₂气氛下,采用管式炉燃烧制取灰样;对灰样进行灰熔点、XRD及同步热分析（TG/DSC）测试,并进行相关热力学计算,分析了O₂/CO₂燃烧方式对混煤灰中矿物质间反应的影响。结果表明,常规灰熔点测试方法测得的两种气氛下的混煤灰熔点没有明显差别。O₂/CO₂气氛促进了煤灰/混煤灰中钙的碳酸化,且明显抑制了高温下CaCO₃的分解。气氛的改变影响了含钙矿物的转化,进而影响了混煤中钙与莫来石反应生成低温共熔物;O₂/CO₂气氛下钙更易于与莫来石发生反应生成低温共熔物,从而会增加结渣倾向。当混煤中蒙煤比例达到或大于75%时,随着蒙煤比例的逐渐增加,莫来石含量减少,O₂/CO₂气氛对钙与莫来石之间的反应影响减弱,但对含铁矿物的影响更加明显,使其更易于生成含铁玻璃体,从而也会增加结渣倾向。     

Analysis of the combustion reaction of carbon and lignite char with ignition and extinction phenomena: Shrinking sphere model

Single‐particle combustion of carbon and lignite char is analyzed in the present work using a generalized shrinking sphere model. Finite volume method (FVM), which was earlier employed by the authors in solving such moving boundary problems involving single particle analysis of general fluid–solid noncatalytic reactions, has been used in this work to solve the transient mass and energy balance equations. The computed results are compared with published experimental data of fluidized‐bed combustion of lignite char. The effects of various parameters like bulk temperature, initial particle temperature, initial particle radius, etc. are examined on the dynamics of combustion of carbon and lignite char. The phenomena of ignition and extinction are also investigated. The importance of nonequimolar diffusion in the combustion reaction has also been analyzed. © 2007 Wiley Periodicals, Inc. Int J Chem Kinet 39: 307–319, 2007