矿物质组分对煤流化床热解特性影响的实验研究

摘要

煤炭是我国最重要的一次能源，高效清洁的煤炭利用方式是保证我国可持续发展的必要举措。在以高温煤灰作为固体热载体的煤热解燃烧分级转化多联产技术中，循环灰进入热解炉中和煤充分混合，为煤热解提供热量。而煤燃烧过程中，会在高温下发生许多化学反应，使得煤灰中的矿物质组分和煤中的大不一样。煤灰中的矿物质组分对煤热解过程的影响机理尚不明晰，因此本文针对煤灰中的三种矿物质组分Fe2O3、CaSO4和CaO对煤热解特性的影响开展了相关实验研究，为分级转化多联产工艺的设计和运行提供参考。 实验以小型流化床反应器为实验装置，选取准格尔烟煤为实验煤种，系统地研究了不同温度（500℃、600℃、700℃、800℃）和不同添加比（5%、10%、20%）的条件下，三种煤灰中典型的矿物质组分Fe2O3、CaSO4和CaO对煤热解产物产率和热解气体组分的影响，结合XRD技术，分析矿物质组分对煤流化床热解特性的影响机理。 结果表明：低温区内（500-600℃），Fe2O3对煤热解的影响主要是通过催化胶质体的芳构化作用，以及抑制胶质体裂解生成挥发分来实现的，使得半焦产率上升，挥发分（热解气和焦油）产率均下降。Fe2O3还会促进煤中的含氧自由基重新结合，抑制了CO的生成；高温区内（700-800℃），半焦中的C会和Fe2O3发生氧化还原反应，使得CO2和CO的产率明显上升。同时半焦也会发生气化反应，Fe2O3还会催化CH4的二次形成反应，多种反应竞争下，使得Fe2O3对各气体的促进程度各异。此外，Fe2O3在各个温度都会增加热解水的产率，是因为Fe2O3会促进煤中的含氧自由基重新结合，羟基缩合分解促进了水的生成，而且随着温度的升高，H2和CH4还原Fe2O3也会生成水。 CaSO4在低温区对热解过程没有明显影响；在高温区，CaSO4对于热解过程的影响，主要是造成CO2和H2O的产率上升，半焦及H2、CH4的产率均下降，这是因为CaSO4会和热解生成的还原性物质（包括半焦中的C和气体H2、CH4、CO）。而由于CO2产率的增加，加剧了半焦的气化反应，使得CO产率略有上升。此外，CaSO4在各个温度对焦油的产率均没有明显影响，因为CaSO4既不会和焦油中的组分反应，对焦油的裂解反应也没有催化效果。 低温区内，CaO对煤热解的影响主要是固定了CO2，造成半焦产率上升，气体总产率和CO2产率明显下降；高温区内，CaO催化半焦和焦油中一些大分子物质的官能团催化裂解，使得半焦和焦油产率下降，总气体产率和多种气体产率上升。此外，CaO对热解水的产率几乎没有影响，因为在反应生成的半焦中没有找到Ca(OH)2，所以CaO在实验温度范围内没有与H2O发生反应。