催化剂对混合煤在快速热解过程中的影响

催化剂对混合煤在快速热解过程中的影响
www.zgcoal.com

    许莹1,孙小星1,胡宾生2

    (河北理工大学1.材料学院;2.冶金与能源学院,河北唐山 063009)

    摘要:热解对燃烧过程有很重要的影响,助燃催化剂KMnO4,Fe2O3,MnO2和CaO对煤粉在快速加热条件下的燃烧 过程具有催化作用。采用H2/Ar等离子体热解试验装置和快速升温热解红外连用试验装置,对混合煤粉的快速热 解过程进行了研究,得到了助燃催化剂有利于煤的快速热解产生挥发分。KMnO4,Fe2O3,MnO2的催化作用机理与 其空价层原子轨道有关,CaO的催化作用机理与其本身的碱性特征有关。

    关键词:等离子体;快速热解;助燃催化剂;催化机理

    中图分类号:TF538.6 文献标识码:A 文章编号:1005-9954(2007)04-0065-03

    从燃烧学角度考虑,煤粉的燃烧过程大致可以 分为挥发分的挥发、挥发分的燃烧和残碳(半焦)的 燃烧3个过程。而挥发分的燃烧是气气相反应,残 碳(半焦)的燃烧是气固相反应,因此,煤粉热解过 程的快慢和先后直接影响煤粉的燃烧过程,长期以 来一直是燃烧领域研究的一个重要方向。助燃催化 剂KMnO4,Fe2O3,MnO2和CaO对煤粉在快速加热 条件下的燃烧过程具有催化作用[1]。这就要求了 解在助燃催化剂存在情况下,煤快速热解的挥发分 析出量及挥发分的组分和含量,从而研究助燃催化 剂的催化作用机理。

    本文利用电弧等离子体热解装置和快速热解-红 外试验装置进行煤粉的快速热解试验,考察助燃催化 剂对煤粉快速热解释放挥发分过程所产生的影响。

    1 试验部分

    1.1 试验原料

    试验选取混合煤种(质量分数40%瘦煤+ 60%无烟煤的混合煤粉)进行试验,其中无烟煤和 瘦煤的工业分析数据见表1。试验采用分析纯 KMnO4,Fe2O3,MnO2和CaO化学试剂作为助燃催 化剂。

    

    1.2 试验装置

    气相色谱GC-900-SD(上海计算机技术研究 所);取样泵QYB-5(上海雷磁仪器厂);流量泵 BJW08A-4(河北化工学院化工机械厂);等离子体反 应器;CDS2000热解-红外光谱联用仪。

    1.3 试验过程

    1.3.1 等离子体快速热解试验

    试验所用的等离子体反应装置主要由等离子体 发生器、进料系统和反应器及淬冷单元组成,如图1 所示。煤粉经过供粉器用氮气携带进入反应器,在 反应器与等离子体射流相互作用并发生闪速热解 (升温速率可达105K/s),热解生成的气、固产物通过 喷淋式急冷器进行淬冷,然后进入分离器进行气固分 离。等离子体发生器的功率范围为50kW;工作电流 为150A;工作电压为280V;反应器的内部通道直径 为30mm,长度为400mm;供粉速率为5g/s。

    

    在整个反应体系中,输送煤粉的总量可以确定, 收集反应残渣,热解气体产率=[(输送煤粉的总质 量-残渣质量)/输送煤粉的质量]×100%。气体 经取样孔取出后使用专用的两通道三检测器进行气 相色谱分析,测出热解气体中各气体的摩尔分数,可 看出热解气体成分的分布。

    1.3.2 煤粉热解-红外光谱(Py-FTIR)联用试验

    热解(Py)与FTIR两者相结合,可迅速完成热 解产物的分析,并能实时显示逸出气体分布图和官 能团分布图,对快速热解反应的微观动力学研究非常有效。本试验采用CDS2000裂解器与Bio-RAD- 165红外光谱联用仪,研究不同助燃催化剂对煤粉 挥发分逸出过程的影响,分析催化煤粉的快速热解 过程作用机理。CDS2000热丝裂解器/红外光谱联 用仪由热解探头、固定窗片的接口装置、控温单元等 组成。本部分试验CDS2000裂解器加热条件:升温 速率20℃/ms;升温范围从室温至1500℃;升温程 序设置15段;接口温度为200℃。