金属氧化物对煤热解过程中多环芳烃排放的影响

摘要

煤热加工过程中会产生多环芳烃(PAHs)，其中16种PAHs由于具有“致畸、致癌、致突变”的作用，如排放到环境中，将会对人类的健康造成严重危害，已经受到国际上越来越多的关注，许多国家都将该类物质定为优先控制对象。这使煤热加工过程中控制PAHs排放的研究具有重要的理论和现实意义。
　　 热解是煤热加工的重要环节，是煤的气化、燃烧、液化的必要阶段，是焦化的主要工艺。随着煤化工技术突飞猛进发展，高温快速的煤转化技术已成为趋势，因此本研究重点放在煤快速热解过程。选择了几种廉价易得的金属氧化物，分别考察它们对煤热解过程中产生的16种优先控制PAHs的作用，以期为煤热加工过程控制PAHs的排放提供理论依据。
　　 本研究采用热解色质联用装置(PY-GC-MS)在线对煤热解过程中生成的16种PAHs进行测定和分析，考察和分析了不同质量比、不同粒径的三种金属氧化物(CaO、MgO、Fe2O3)及三种复合金属氧化物(CaO-MgO、CaO-Fe2O3、MgO-Fe2O3)在不同温度下对热解过程中生成的16种PAHs进行转化的作用。研究表明：(1)在三种金属氧化物(CaO、MgO、Fe2O3)的作用下，16种PAHs的最大转化率分别为52.88％、62.15％、60.59％。MgO和CaO对PAHs的催化转化作用相同，既对芳环结构有裂解作用，还能促使其发生缩聚反应，随着热解温度的增加，对后者的作用加大。在高温时MgO对六环PAHs有较明显的促进生成作用。而随着温度的增加，与MgO和CaO不同的是，Fe2O3能使PAHs的裂解作用增强。影响金属氧化物对PAHs催化作用的最主要因素是温度，在一定的温度确定后，其对PAHs的催化作用不随用量和粒径而变化；(2)在三种复合金属氧化物(CaO-MgO、MgO-Fe2O3、CaO-Fe2O3)的作用下，16种PAHs的最大转化率分别为23.84％、36.02％、54.19％，影响作用小于金属氧化物。MgO-Fe2O3和CaO-Fe2O3对PAHs的催化作用未表现出加和作用，而CaO-MgO在较高温度下具有促进PAHs生成的加和作用。影响复合金属氧化物对PAHs催化作用的因素不再仅是温度，也与加入量有关；(3)探讨了金属氧化物对煤热解过程生成的PAHs的作用机理，提出PAHs可能的裂解过程，发现CaO和MgO对芳环、带侧链的芳香烃、脂肪烃等有很好的催化裂解活性，CaO和MgO对促进PAHs生成的反应存在选择性。Fe2O3可能使得16种PAHs裂解生成酚类物质。