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創新點
在不同熱解溫度下分別採用馬弗爐、管式爐和鼓泡床三種方法制焦，利用熱重分析法獲得各焦樣的燃燒反應性，並藉助化學滲透析出（CPD）模型對各條件下煤顆粒的熱解進程進行了模擬和分析。結果表明，熱解溫度越高，煤焦燃燒反應性越低，即存在「熱失活」現象。不同制焦方法對煤焦反應性同樣存在很大影響，相同熱解溫度下，鼓泡床、管式爐和馬弗爐製得焦樣的燃燒反應性依次降低。
作 者
柯希瑋,陳陸劍,張 縵,吳玉新,張 海,呂俊復
作者單位
清華大學 能源與動力工程系
1
研究背景
煤的燃燒、氣化等過程通常可以分為原煤熱解和焦炭反應2個階段,其中絕大部分化學能在焦炭反應中釋放或轉化,焦炭反應的時間尺度也比熱解時間尺度高几個量級,然而煤焦反應性又受熱解條件影響很大。煤焦反應性包括氧化性氣氛下燃燒反應性、CO2或H2O氣氛下氣化反應性,以及對NOx的還原性等。研究認為,熱解程度越深,即熱解終溫越高、停留時間越長,煤焦反應性越低,存在「熱失活」現象。這與熱解過程中焦炭的孔隙結構、碳基質排列、元素組成、礦物雜質的化學形式和含量變化、熱解氣氛等因素密切相關。
目前文獻中主要圍繞熱解溫度、熱解速率等熱處理參數對焦炭反應性的影響開展實驗研究,得到一些定性的結論,但對不同熱解條件下煤焦反應性改變,特別是「熱失活」現象的解釋比較分散,並缺乏相應的建模分析。另外,文獻中多採用惰性氣氛下管式爐制焦以進行後續研究,也有利用馬弗爐、平焰燃燒器、流化床、熱天平等手段制焦。已有少數學者發現不同制焦方法下獲得的焦炭反應性存在差異,如在1000℃下,類流化床、固定床、類氣流床下所製得褐煤焦的C—H2O/C—CO2初始本徵氣化反應速率依次降低。然而,現階段關於不同制焦方法對煤焦燃燒反應性影響的研究還比較缺乏。
2
摘 要
煤的反應中絕大部分化學能在焦炭反應階段釋放或轉化,相關研究中採用多種方法在不同環境條件下制焦以進行後續研究,而煤焦反應性又受熱解條件影響很大。
為研究制焦條件對煤焦燃燒反應性的影響,本文在不同熱解溫度下分別採用馬弗爐、管式爐和鼓泡床3種方法制焦,利用熱重分析法(TGA)比較各焦樣的燃燒反應性,並藉助化學滲透析出(Chemical PercolationDevolatilization,CPD)模型和單顆粒傳熱模型,對各條件下煤顆粒的熱解進程,如顆粒溫度、揮發分析出總量、殘餘旁鏈結構份額等隨時間變化規律進行了模擬。
主要內容包括:
①實驗結果表明,熱解環境溫度越高,煤焦著火延遲,燃燒反應性越低,即存在「 熱失活」現象。而從CPD模型計算結果可以看出,熱解溫度越高,最終析出的揮發分總量越高(煤樣工業分析結果也驗證了殘留在焦炭中的揮發分物質含量隨熱解溫度升高而減小),且殘留在碳網中的旁鏈結構份額越少,反映出酚羥基、羰基、脂肪側鏈等的裂解加劇,減少了焦炭表面反應活性位點數量,可能是導致煤焦「熱失活」的主要原因之一。另外,對各焦樣的孔隙結構測量表明,熱解溫度越高,微孔與中大孔的相對比例逐漸減小,大量微孔相互縮並,導致孔隙直接連通率降低,氣體擴散阻力增大,同樣不利於焦炭燃燒。
②不同制焦方法對煤焦反應性同樣存在很大影響,相同熱解溫度下,鼓泡床、管式爐和馬弗爐製得焦樣的燃燒反應性依次降低。模型計算表明,馬弗爐、管式爐和鼓泡床內煤樣升溫速率依次增大,煤焦反應性的差異可能與熱解升溫速率及熱解氣氛有關。對此,CPD模型儘管反映出熱解進程不同,但熱解終態3者近似相同,尚無法解釋制焦方法對煤焦反應性的影響,還有待後續進一步研究。
3
文中圖片
1—轉子流量計;2—電加熱爐;3—石英玻璃渣(預熱區);4—石英燒結板;5—恆溫實驗段;6—溫度計;7—過濾器;8—金屬吊籃;9—鼓泡床床料;10—給料鬥;11—球閥;12—實驗段頂部出口;13—帶撞擊板小型玻璃儲箱;14—水槽
小型管式爐/鼓泡流化床制焦實驗臺示意
CPD模型化學反應簡化路徑及相應的代表性中間物結構
各焦樣的燃燒反應動力學參數對比
程序升溫下,熱解溫度對煤焦燃燒反應性的影響(實驗)
不同熱解環境溫度下,煤顆粒升溫曲線(模擬)
不同熱解環境溫度下,總揮發分析出量隨時間變化(原煤乾燥無灰基)(模擬)
不同熱解環境溫度下,殘餘旁鏈結構份額隨時間變化(模擬)
程序升溫下,制焦方法對煤焦燃燒反應性的影響(實驗)
不同制焦方法下煤顆粒升溫曲線(熱解溫度900℃)(模擬)
不同制焦方法下,總揮發分析出量隨時間變化(熱解溫度900 ℃,原煤無灰乾燥基)(模擬)
不同制焦方法下,殘餘旁鏈結構份額隨時間變化(熱解溫度900℃)(模擬)
來源：
柯希瑋,陳陸劍,張縵,等.制焦條件對煤焦燃燒反應性的影響[J].煤炭學報,2020,45(2):793-801.
KE Xiwei,CHEN Lujian,ZHANG Man,et al. Influence of coal pyrolysis conditions on its char combustion reactivity[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(2):793-801.
責任編輯：常明然
編輯整理：郭曉煒
審 核：常琛
End
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