温度和赋存形态对燃煤过程中砷迁移和释放的影响

选取3个煤阶共6个国内典型煤种,利用水平管式炉在不同温度下进行煤的燃烧实验,研究燃煤过程中砷的迁移和释放特性。利用热分析的相关理论和方法,将煤的热重分析手段运用于煤燃烧过程中砷的质量变化,通过对实验结果进行拟合得到砷的失重曲线和失重速率曲线,并采用逐级化学提取的方法对原煤及不同温度下煤灰中砷的赋存形态进行分析。25～1100℃的实验结果表明:随着温度升高,煤中砷的释放比例逐渐增大,1100℃下砷的释放比例变化范围为30%～67%。不同温度区间下砷的失重速率存在差异,800～900℃区间出现显著的砷失重峰,主要原因是以硫化物形式存在的砷在800～900℃区间发生剧烈的分解/氧化分解。此外,相同温度下褐煤的失重比例和失重速率较大,无烟煤的失重比例和失重速率较小,烟煤则介于无烟煤和褐煤之间。温度升高后,煤中的有机物结合态砷向气相迁移,酸溶态砷和残渣态砷共同作用,减少的砷主要进入气相中,还有一部分向可交换态砷迁移。     

燃煤过程中砷的赋存形态及其挥发特性

选取3个国内煤样,利用自制恒温热重装置研究了燃烧过程中砷的赋存特性及其挥发规律。通过测定不同停留时间下燃烧样品中砷的含量,拟合得到砷的挥发曲线和挥发速率曲线,并采用逐级化学提取的方法对原煤和不同停留时间下的燃烧样品进行形态分析。实验结果表明：温度是影响砷挥发的重要因素,700～1000℃是砷挥发的主要温度区间。煤粉燃烧过程中,砷的挥发速率与煤粉的失重速率具有同步性;伴随着煤中水分和挥发分的快速析出,砷也具有较高的挥发速率;随着燃烧过程的深入进行,砷的挥发速率变得缓慢。煤粉燃烧结束,3种煤（五里庄、红岩和梅花井）砷的挥发比例分别为49.5%、80.7%、65.0%,且在燃烧过程中煤中残渣态、硫化物结合态和可交换态砷相互作用迁移。     

燃煤砷污染和抑制的研究进展

对煤燃烧过程中微量砷的污染和抑制的国内外研究现状进行了综述 .概述了煤燃烧过程中微量砷的排放对环境产生的危害 .分析了煤中砷在燃烧过程中不同温度下的转化形态 ,烟气中砷的主要存在形态 ,以及煤中砷在燃烧产物中的配置和主要影响因素 .给出了美国不同电站的燃煤锅炉、工业燃煤锅炉以及民用燃煤锅炉砷的排放因子 .探讨了不同吸附剂与含砷化合物的作用机理 ,以及减少燃煤过程中砷污染的可行性 .强调了加强煤燃烧过程中微量砷排放研究的重要性     

燃煤过程矿物质形态对亚微米颗粒释放的影响

为研究燃煤过程中亚微米颗粒的形成机理,选取了三种烟煤在沉降炉内燃烧,用X射线荧光光谱和透射电子显微镜能量色散谱仪联用对煤和亚微米灰中的矿物质进行分析,研究内生态和游离态的矿物质的转化过程.结果表明,与碳结构的结合方式决定了矿物质向亚微米颗粒的转化.游离态矿物质很少转化成亚微米灰颗粒,但其组成却影响着Si和Al的转化.     

矿物质对煤焦燃烧过程中NO释放规律的影响

在石英固定床反应器上研究了煤焦燃烧过程中矿物质在不同燃烧条件下对NO释放规律的影响.结果表明：煤中的矿物质对燃料氮转化为NO有显著的影响,其影响与矿物质的组成和燃烧条件有关,碱金属Na、K催化半焦氮的氧化在较低的温度下进行并降低半焦氮对于NO的转化率,而Ca、Fe在低温燃烧条件下增加NO的排放,高温时使NO的排放降低;矿物质惰质组分的存在使NO的排放增加;随着煤阶的升高,半焦的反应性降低,燃料氮对于NO的转化率增大;燃料氮的转化率随燃烧温度的升高而增加,但达到极大值后又趋于降低;矿物质对于NO排放量的影响决定于矿物质对于半焦氮的氧化以及半焦还原NO反应催化作用的相对大小.     

富氧燃烧下水蒸气对矿物捕集铬的影响

通过沉降炉煤燃烧实验及动力学模拟研究了水蒸气对Cr转化行为的作用及水蒸气对矿物吸附剂捕集Cr的影响。研究表明,CaO及Fe₂O₃在空气及富氧燃烧下均能较好地捕获Cr蒸气,石灰石的作用远差于CaO及Fe₂O₃,高岭土无论空气还是富氧燃烧下对捕集Cr均无效果。动力学模拟表明H₂O促进Cr（Ⅲ）快速转化为高价Cr蒸气CrO（OH）₂、CrO₂（OH）及CrO₂（OH）₂。富氧燃烧下H₂O抑制了CaO与Cr的反应,但燃烧灰中六价铬化合物大量增加,特别是当H₂O与CaO同时存在时,灰中43%的铬为六价铬。水蒸气促进了Fe₂O₃捕集铬化合物使其固定在灰中。富氧燃烧下水蒸气促进Cr在煤灰中富集,随着H₂O浓度由8%升高至20%,灰中铬的富集率又下降,主要由于水蒸气对CaO捕集Cr的抑制作用。     

烟气中水蒸气对钙基吸收剂碳酸化的影响特性

在循环煅烧/碳酸化反应系统上考察煅烧气氛和碳酸化气氛中水蒸气含量以及CO₂分压对钙基吸收剂成型颗粒碳酸化的影响,通过对钙基吸收剂微观结构分析(扫描电镜、氮吸附分析)以理解水蒸气影响碳酸化特性的机理。结果表明,煅烧气氛和碳酸化气氛中的水蒸气均可提高钙基吸收剂的碳酸化转化率,水蒸气含量分别为10%和5%时,吸收剂的碳酸化性能较好;水蒸气在碳酸化气氛中对高铝水泥改性吸收剂的改善作用较石灰石显著。煅烧气氛中的CO₂分压越高,烧结现象越严重,降低钙基吸收剂的捕集效率;碳酸化气氛CO₂分压提高,有利于提高钙基吸收剂的碳酸化转化率。烟气中水蒸气丰富了吸收剂的微观孔隙,使得吸收剂捕集CO₂性能得到改善。     

煤粉密度对燃煤过程中颗粒物形成特性的影响

通过浮选实验先将典型烟煤分成高、中、低3个密度段,然后对3种不同密度原煤在沉降炉内进行热解和燃烧实验,研究原煤密度对颗粒物形成机理和特性的影响。实验采用低压撞击器（LPI）把颗粒物按不同粒径大小从0.03～10.0 μm共分13级,分别采集燃烧后的可吸入颗粒物。实验结果显示：低密度原煤对颗粒物形成的贡献最大,中密度次之,高密度最小,低密度原煤所含矿物质粒度最小,形成的焦的膨胀率、总孔体积和BET表面积最大,高密度原煤所含矿物质粒度最大,形成的焦的膨胀率、总孔体积和BET表面积最小,中密度原煤介于两者之间,3种密度原煤燃烧后形成的PM10颗粒物元素构成的相同点是：对于亚微米颗粒物,元素S＋碱金属元素＋其他元素>难熔元素,对于超微米颗粒物,难熔元素占80%以上,远远大于其他三类元素。     

反应气氛对煤热解过程中NH3释放的影响

为了实现煤的洁净转化 ,研究煤热解过程中 N转移的机理 ,实验在固定床反应器上采用程序升温法对碳含量不同的三种煤样进行了氩、甲烷、1 5 %水蒸气 /氩和 1 5 %水蒸气 /甲烷气氛下的煤加氢热解研究 ,主要对热解过程中产生的 NOx 主要前驱物 NH3 的释放规律及其影响因素进行了考察 .实验表明 ,由于水蒸气、甲烷提供了活性含 H集团 ,促进了热解过程中 NH3 的生成 ;另外 ,甲烷和水蒸气之间的协同作用 ,可以提供更多的活性含 H集团 .煤特性、反应温度和反应时间是影响 NH3 生成和半焦产率的主要因素 .     

燃用高砷煤对环境和人体健康的影响

总结了煤中砷的一些基本性质,结合国内外学者的研究资料,分析了目前中国贵州等地高砷煤对环境的污染和对人类健康的危害,并提出了一些防治污染措旌.     

富氧燃烧方式下煤中砷的挥发行为

选取SJS烟煤,利用高温管式炉模拟富氧燃烧,在600~1400℃温度范围内研究了O₂浓度、CO₂浓度及温度对砷挥发的影响,并进行了空气燃烧模式下的对比实验。对不同工况下的灰样进行FTIR表征并结合化学热力学软件模拟进行分析,结果表明:富氧气氛和空气气氛下煤中砷的挥发比例均随温度升高不断增大,并在低温区间(<900℃)和高温区间(>900℃)分别出现了砷的剧烈失重,但O₂浓度和CO₂浓度影响了不同气氛下砷的具体挥发行为。低温下(<900℃)O₂浓度是影响砷挥发的主要因素,O₂浓度越高,砷的挥发比例越大;相同O₂浓度下,CO₂浓度越高,砷的挥发比例越低,CO₂的存在抑制了煤中砷的挥发。高温下(>900℃)CO₂浓度是影响砷挥发的主要因素,富氧气氛下高CO₂浓度对热量的阻碍导致相同条件下砷酸盐发生分解需要更高的温度,因此富氧气氛下砷的挥发较空气模式滞后;此外CO₂在煤颗粒表面形成还原性气氛,高价态砷化合物向不稳定的低价态砷化合物转变,低价态砷化合物的快速分解导致高温下富氧气氛中砷的挥发速率较常规空气模式快。     

高砷褐煤与低砷烟煤混燃砷的挥发特性及模型

选取典型的高砷褐煤和低砷烟煤,在一维等温燃烧实验台上进行混燃实验,研究温度（600～1100℃）和掺混比（3:1、1:1、1:3）对高砷褐煤混燃砷挥发的影响。实验结果表明：随着温度的升高,单煤及混煤燃烧砷的挥发比例逐渐增大,不同温度下混煤燃烧砷的挥发比例介于两个单煤之间,但砷的挥发比例并不是简单的加权平均,不同温度和掺混比下混煤砷的挥发比例均高于加权值,高砷褐煤中较高的挥发分含量在影响混煤焦炭燃烧的同时也促进了混煤中砷的挥发。因此,提出了综合考虑温度、掺混比和高砷褐煤影响的混煤砷挥发模型,不同温度和掺混比下的模型计算结果与实验值吻合度较好。     

合成煤中钠对煤燃烧及灰特性影响

准东煤中钠含量高，燃用时锅炉会出现严重结渣问题。通过向准东煤为原料制取的超纯煤中添加灰的模型化合物，得到合成煤。并在此基础上利用热重-差示扫描量热分析法（TG/DTG/DSC）、X射线衍射仪（XRD）和灰熔融温度测定分析手段，研究Na₂O含量对煤燃烧特性和灰熔融性的影响。结果表明：钠主要影响合成煤的着火温度（T_i）与焦炭燃烧阶段，钠含量增加使T_i升高，并且Na₂O在灰中质量分数由5%升高至8%后，钠含量增加使焦炭燃烧速率先减小后加快，并能够改善煤粉燃尽特性。钠能够降低灰熔融温度，并在Na₂O质量分数高于5%后，温度下降更加明显。在三元相图中钠对莫来石的助熔作用是造成灰熔融温度降低的重要原因。XRD分析表明Na₂O含量增加，充当骨架作用的石英在钠的助熔作用下与难熔矿物硅钙石、MgO等生成低熔点长石类矿物，这类矿物在高温下有助熔作用，能够降低灰熔融温度。同时还生成助熔性含钠矿物霞石，加剧了灰熔融。     

水蒸气对oxy-coal燃烧中NO生成的影响

为了研究H₂O对燃料N向NO转化各个阶段的影响,采用可沿程取样的沉降炉反应器,研究了一种烟煤在1273 K温度下,O₂/N₂、O₂/CO₂以及O₂/CO₂/H₂O气氛下燃烧的燃尽与NO生成的情况.并通过在停留时间为0.2、0.3、0.5、1.1 s与O₂浓度为5%、21%及30%情况下的实验来研究H₂O对NO生成的影响.实验结果表明,相对于O₂/CO₂气氛,H₂O的添加抑制了NO的生成,且该影响主要集中在燃烧初期挥发分N的氧化过程.随着O₂浓度的增加,H₂O添加对oxy-coal燃烧方式下NO生成影响加大.     

Fate of coal nitrogen during combustion

A total of 21 coals covering all ranks have been burned under a wide variety of conditions to ascertain the impact of coal properties on the fate of fuel nitrogen. Fuel NO was identified with a nitrogen-free oxidant consisting of Ar-O₂CO₂. In general, under fuel-lean conditions fuel NO formation increases with increasing fuel nitrogen content; however, other fuel properties also significantly affect the fate of fuel-bound nitrogen during combustion. In particular, fuel nitrogen conversion appears to be greater with coals containing a high fraction of volatile reactive nitrogen. Under fuel-rich conditions measurements of first-stage and exhaust-species concentrations suggest that the optimum stoichiometry for minimum emissions is a function of fuel composition. As first-stage stoichiometry is decreased, the NO formed in the first stage decreases, but other oxidizable gas nitrogen species increase as does nitrogen retention in the char. Total fixed nitrogen generally increases with increasing fuel nitrogen and correlates well with excess air exhaust emissions. The distribution of the total fixed nitrogen species leaving the first stage is strongly dependent upon the coal composition. Of the 12 coals tested in detail, only 1 (the high-volatile B bituminous from Utah) produced high HCN concentrations. The low-volatile Pennsylvania anthracite formed almost no HCN or NH₃ even under extremely fuel-rich conditions. In general, the first stage NO percentage decreased significantly with decreasing coal rank from anthracite to lignite. Conversely, the relative importance of NH₃ grew with decreasing rank. HCN was greater than NH₃ in all bituminous tests, but less than NH₃ with all subbituminous and lignite coals.     

煤岩组分的物化性质对煤自燃的影响

影响煤自燃的因素很多,如煤化程度、煤的岩组成、煤的水分、黄铁矿含量、环境温度、煤堆积密度、煤炭粒度等。笔者主要研究煤岩组分的物化性质对煤自燃的影响。