低阶煤半焦利用热重在O2/CO2、O2/N2和O2/Ar气氛下燃烧特性研究

利用热重研究了两种中国西北典型低阶煤半焦的燃烧特性。探究了不同气氛（O₂/CO₂、O₂/N₂和O₂/Ar）和不同氧气浓度对其燃烧特性的影响。实验结果表明,无论是反应气氛还是氧气浓度都会对低阶煤半焦的燃烧产生影响。相比于N₂和Ar,CO₂明显有利于燃烧反应进行：当反应气氛由O₂/CO₂变为O₂/Ar时,两种不同低阶煤半焦的燃尽温度分别升高了63.7和68.8℃;而当反应气氛由O₂/CO₂变为O₂/N₂时,两种不同低阶煤半焦的燃尽温度分别升高了135.9和129.6℃。在研究范围内,氧气浓度的提高也能明显提高半焦的燃烧性能。与此同时,半焦燃烧特性的动力学分析表明,随着氧气浓度提高,两种半焦燃烧反应的表观活化能E和指前因子A均呈增大趋势。通过对E和A两者关系的分析结果表明,半焦富氧燃烧的活化能和指前因子存在动力学补偿效应。     

O2/CO2气氛下煤焦燃烧实验研究

在热重分析仪上进行了不同气氛下徐州烟煤及其煤焦的燃烧实验,分析了O₂浓度、CO₂浓度和颗粒粒径等参数对其燃烧特性的影响;并对其进行了燃烧动力学分析。结果表明,气氛对煤和煤焦开始脱挥发分的时间影响不明显,但对其燃烧速率和燃尽时间影响很大;高浓度CO₂使煤焦的燃尽时间延长。气氛没有改变煤焦的燃烧反应动力学机理。O₂浓度提高、CO₂浓度降低和煤粉细化均可改善燃料的燃烧特性,但对煤焦的改善程度比对烟煤的小。扫描电镜（SEM）结果显示,同等O₂浓度下O₂/CO₂气氛较空气气氛煤灰表面孔隙结构更丰富。     

O2/CO2气氛下O2浓度对燃煤PM2.5形成的影响

采用管式炉和荷电低压撞击器(electrical low pressure-impactor,ELPI)研究了徐州烟煤在O₂/CO₂条件下燃烧后生成的PM_2.5排放特性。结果表明,在O₂/CO₂气氛下,煤粉在不同O₂浓度燃烧所产生的PM_2.5质量浓度均呈双峰分布,峰值分别在0.1和2.0 mm左右;随着氧含量的增加,PM_2.5的质量浓度增加;S、K和Na在亚微米颗粒上明显富集,而Si和Ca未在亚微米颗粒上富集;通过对颗粒物的粒径分布、元素分析和形貌观察,认为亚微米颗粒主要是矿物质蒸发鄄凝结机制形成的,而超微米颗粒主要是煤焦与外部矿物质的破碎以及内在矿物质聚合形成的。     

O2/CO2气氛下木醋调质石灰石直接硫化反应动力学研究

采用热分析法研究了O₂/CO₂气氛下石灰石及木醋调质石灰石的直接硫化反应过程。结果表明,在实验温度1 023~1 173 K,经木醋废液调质的石灰石直接硫化钙转化率显著提高。在1 173 K时,木醋调质石灰石直接硫化反应50 min后钙转化率可达89.55%。木醋调质石灰石的主要成分为水合醋酸钙,调质使石灰石的结构更为疏松,有利于硫化反应的进行。采用缩核模型对反应过程进行了表征,得到石灰石及木醋调质石灰石直接硫化反应速率常数k_s和扩散系数D_eff的Arrhenius表达式。动力学计算结果表明,相比于石灰石,扩散对木醋调质石灰石直接硫化反应过程的影响较小,说明木醋调质石灰石直接硫化反应性能显著提升的原因为硫化反应扩散阻力的减小。     

O2/CO2气氛下CO2和H2O气化反应对煤及煤焦燃烧特性的影响

利用热天平对比研究了大同煤及煤焦在O₂/N₂、O₂/CO₂和O₂/H₂O/CO₂中的燃烧行为,探讨CO₂和H₂O气化反应对其富氧燃烧特性的影响。结果表明,在5%氧气浓度下,煤粉在O₂/N₂、O₂/CO₂和O₂/H₂O/CO₂中的燃烧速率按顺序依次降低。氧气浓度降低到2%,由于CO₂和H₂O气化反应的作用,煤粉在高温区的整体反应速率按顺序依次增大。当氧气浓度为5%时,煤焦在O₂/CO₂中的燃烧速率要低于O₂/N₂中的燃烧速率,但燃烧反应推迟后气化反应的参与使得煤焦在O₂/H₂O/CO₂中的整体反应速率显著升高。当氧气浓度降低到2%后,随着温度的升高,在CO₂气化反应的作用下,煤焦在O₂/CO₂中的整体反应速率逐渐高于O₂/N₂中的燃烧速率。在O₂/H₂O/CO₂中,由于H₂O在共气化中起主要作用,煤焦在O₂/H₂O/CO₂高温区的整体反应速率进一步升高。动力学分析表明,在5%氧浓度时,煤焦在O₂/N₂、O₂/CO₂和O₂/H₂O/CO₂中的表观活化能依次升高。随着氧气浓度的降低,在不同反应气氛中的表观活化能均有所下降。     

O2/CO2气氛下稻秆添加磷酸二氢铵对固钾及灰熔融特性的研究

研究了21%O₂/79%CO₂气氛下,磷酸二氢铵对稻秆不同温度下的固钾能力及对灰熔融性的影响。利用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)、X射线衍射(XRD)以及扫描电子显微镜(SEM)等检测手段,对稻秆燃烧灰中K元素含量、产物物相以及微观形貌进行分析。固定床燃烧固钾实验表明,添加NH₄H₂PO₄能够有效提高稻秆固钾率,900℃下稻秆自身固钾率为14.65%,添加NH₄H₂PO₄后固钾率为68.79%,可以有效抑制生物质燃烧过程中碱金属以气态形式析出,并缓解了灰结渣现象。700℃燃烧条件下NH₄H₂PO₄和钾反应的主要产物为KPO₃;900℃下反应的主要产物为高熔点物质K₂CaP₂O₇,从微观形貌可以看出NH₄H₂PO₄能够抑制灰颗粒的烧结,添加NH₄H₂PO₄能有效提升稻秆灰熔点。     

流化床O2/CO2气氛下添加石灰石对燃煤PM2.5的控制

采用小型流化床研究了在O₂/CO₂气氛下添加石灰石对PM_2.5(空气动力学直径小于2.5 μm的颗粒物)的控制.实验采用荷电低压撞击器(ELPI)采集和分析燃烧后的PM_2.5.结果表明,添加石灰石是燃烧过程中影响PM_2.5生成的重要因素.添加石灰石后,生成PM_1.0的数量浓度均降低,而PM_1.0~2.5的数量浓度均略有增加;PM_2.5质量粒径分布均呈双峰分布,峰值分别出现在0.2和2.0 μm左右.随着Ca/S物质的量比的增加,PM_2.5中Si、Na、K、S和Cu的含量呈减少的趋势;随着颗粒粒径的减小,S、Cu、K和Na的含量有增大的趋势,而Si的含量有减少的趋势.     

O2/CO2气氛下木醋调质石灰石再燃/先进再燃脱硝性能研究

在O₂/CO₂气氛下利用沉降炉脱硝实验台,对木醋调质石灰石和醋酸钙的再燃/先进再燃脱硝特性以及氨气的选择性非催化还原脱硝特性进行了研究。结果表明,木醋调质石灰石和醋酸钙的再燃脱硝效率随温度的升高先提高后降低,1 323 K时获得最高脱硝效率分别为82.70%和78.52%;再燃脱硝氧浓度不宜过高,合适的再燃比为14%~17%,停留时间为0.8 s。氨气选择性非催化还原脱硝在1 173 K时获得最高脱硝效率为95.41%,温度窗口为1 142~1 335 K;随着氧浓度的增大,脱硝效率不断降低,反应适宜的氨氮比为1.5,停留时间为1.2 s。按氨氮比0.75向再燃区喷入氨气可显著提高木醋调质石灰石和醋酸钙的再燃脱硝效率,同时脱硝反应适宜的温度区间也得到显著拓宽,1 323 K时两者获得的先进再燃脱硝效率分别为93.49%和92.79%。     

Ga2O3催化剂上CO2气氛中丙烷脱氢反应的研究

考察了Ga2O3对于丙烷脱氢和CO2气氛脱氢反应的催化性能. 结果表明, Ga2O3具有较高的催化活性, 其性能优于传统的Cr2O3脱氢催化剂. 催化反应可能经过了一个丙烷异裂的过程, 其中CO2是通过逆水煤气反应和Boudouard反应来促进催化剂性能的, 在高于823 K时该促进作用更为明显. 催化剂的催化活性和其表面酸密度密切相关, 在Ga2O3结构中, 四配位Ga3+是其酸位的来源, 并通过质子与氧化物的共同作用促进反应进行. 催化剂的失活是由于表面的积碳和活性氧的消耗共同造成的. 同时还对Ga2O3作为丙烷脱氢反应的催化剂的催化反应机理进行了初步探讨.     

CO2气氛对胜利褐煤热解过程的影响

以5-8 mm胜利褐煤为研究对象,利用固定床反应器,在400-700℃、CO₂气氛下进行热解实验,研究了CO₂气氛对煤热解气、液、固三相产物分布的影响,探讨了CO₂对煤焦结构作用的机理。研究表明,与N₂气氛相比,CO₂气氛热解提高焦油和热解水产率,降低热解气和半焦产率;400和500℃时,CO₂气氛下形成的半焦孔隙结构和总孔体积没有明显的变化,600和700℃时,CO₂气氛下所得半焦的比表面积及孔容较N₂气氛下的大,是与煤焦内部挥发分大量释放以及CO₂进入孔道与活性位反应有关;煤热解过程中CO₂的引入能促进煤焦中3-5环芳香结构的消耗,导致煤焦结构芳香度的提高;600和700℃时,CO₂气氛下热解气中H₂和CH₄产率低,同时CO₂能与煤焦发生气化反应显著提高CO含量。     

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。     

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。     

木醋调质石灰石用于O2/CO2燃煤同时脱硫脱硝性能

采用管式炉和沉降炉分别研究了O₂/CO₂气氛下燃煤预混和烟气喷入木醋调质石灰石的同时脱硫脱硝性能。结果表明,在温度1 173~1 323 K、钙硫比为2.0的条件下,木醋调质石灰石混煤燃烧脱硫效率91.0%~94.9%、脱硝效率23.5%~30.8%。随着钙硫比的增加,木醋调质石灰石混煤燃烧脱硫脱硝效率增大,适宜的钙硫比为1.5~2.0。相同的燃烧温度和钙硫比,含硫量高的煤预混木醋调质石灰石燃烧获得较高的脱硫、脱硝效率。木醋调质石灰石用于O₂/CO₂燃煤脱硫脱硝性能优于醋酸钙。O₂/CO₂燃煤烟气中喷入木醋调质石灰石、钙硫比为2.0、停留时间为0.8 s、在1 223和1 323 K时获得最大脱硫效率和最大脱硝效率为75.8%和86.6%。在上述条件下将氨气喷入反应区,氨氮比为0.75、温度为1 223和1 323 K时,脱硫效率分别为73.2%和63.9%,脱硝效率分别为93.2%和94.8%。     

O2/CO2气氛下污泥/煤混燃中半挥发性重金属的释放特性

在固定床焚烧实验装置上,采用正交实验法研究了焚烧温度(t_c)、污泥掺混比(X_s)、O_2体积分数(φ_(O2))、初始含水率(φ_(H2O))、焚烧时间(τ)和含氯量(φ_(Cl))六个因素对O_2/CO_2气氛下污泥/煤混燃中半挥发性重金属(Zn、Pb、Cd、Cu、Ni和Cr)释放特性的影响。结果表明,六种因素对重金属释放率影响程度排序为t_cX_sφ_(H2O)φ_(O2)≈τφ_(Cl)。相同焚烧工况下,Zn释放率最大,Pb和Cd次之,Cu、Ni和Cr较小。提高温度会促进重金属释放,且高温(1000-1100℃)对重金属释放的影响显著强于低温(700-900℃)。随着温度由700℃升高至1100℃,Zn和Pb释放率分别由36.1%和12.2%上升至70.9%和63.5%,Cd在900℃下达到40.0%的最大释放率,而Cu、Ni和Cr释放率大都维持在20.0%以下,温度对重金属释放率影响程度排序为PbZnCdCuCrNi。重金属释放率随着污泥掺混比增加逐渐下降,却随着初始含水率增加呈现波浪式变化趋势,且在30%O_2体积分数下重金属释放率取得最小值。焚烧时间和含氯量对Pb释放的影响程度显著强于其他五种重金属。O_2/CO_2气氛下污泥/煤混燃的最佳工况为:焚烧温度为900-1000℃、污泥掺混比为25%左右、O_2体积分数为30%、初始含水率小于10%,并尽可能的缩短焚烧时间。     

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。     

Thermodynamic equilibrium study of mineral elements evaporation in O2/CO2 recycle combustion

The facility for the analysis of chemical thermodynamics method (F*A*C*T) based on the Gibbs energy minimization principle, was used to characterize the evaporation of mineral elements of coal in O₂/CO₂ recycle combustion. The effects of atmosphere and temperature on the speciation of mineral species were discussed. The results show that Na(K)Cl(g), FeO(g), and SiO(g) are the dominant gaseous species of the mineral elements. The dominant species of mineral elements in flue gases depend on both the combustion conditions (reducing or oxidizing) and the atmosphere. In O₂/CO₂ mixture combustion, the evaporation rate of mineral elements is much lower than that in air combustion, especially under reducing atmosphere. The total evaporation of mineral elements in O₂/CO₂ atmosphere and air combustion under reducing conditions is 4.46% and 9.65% respectively, up to the temperature of 2400 K. The calculation values are consistent with the experiment values. The decrease in the mineral element evaporation is helpful to suppress the tendency to form fine particle matter and the tendency of initial ash deposition.