基于銅鐵復(fù)合載氧體的準(zhǔn)東煤化學(xué)鏈燃燒特性研究.pdf

1、我國準(zhǔn)東煤儲(chǔ)量豐富，但是煤中高鈉特性給準(zhǔn)東煤的利用帶來諸多困擾，如結(jié)渣、受熱面腐蝕等。準(zhǔn)東煤的清潔高效利用是目前國家普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問題之一?；谘h(huán)載氧體的煤化學(xué)鏈燃燒技術(shù)是一種新型的燃燒技術(shù)，煤在兩反應(yīng)器內(nèi)（燃料反應(yīng)器和空氣反應(yīng)器）實(shí)現(xiàn)梯級(jí)轉(zhuǎn)化，減少過程(炯)損失，實(shí)現(xiàn)煤炭的高效清潔利用。煤中的鈉在燃料反應(yīng)器內(nèi)轉(zhuǎn)化，有效避免了空氣反應(yīng)器內(nèi)受熱面的腐蝕，是一種潛在的能夠解決準(zhǔn)東煤燃燒結(jié)渣、受熱面腐蝕的技術(shù)。本文基于高活性的銅鐵復(fù)合載氧體

2、，開展準(zhǔn)東煤化學(xué)鏈燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究，考察影響準(zhǔn)東煤燃燒的關(guān)鍵因素，深入探究準(zhǔn)東煤中的鈉以及準(zhǔn)東煤灰對(duì)化學(xué)鏈燃燒過程中的影響。
　　采用浸漬法制備銅鐵復(fù)合載氧體，以準(zhǔn)東煤作為燃料開展化學(xué)鏈燃燒實(shí)驗(yàn)研究?；谛⌒土骰卜磻?yīng)器，考察復(fù)合載氧體中Cu/Fe比例、反應(yīng)溫度、介質(zhì)水量和循環(huán)次數(shù)對(duì)準(zhǔn)東煤化學(xué)鏈燃燒特性的影響。研究發(fā)現(xiàn):銅鐵復(fù)合載氧體反應(yīng)活性高，促進(jìn)準(zhǔn)東煤氣化反應(yīng)的進(jìn)行，提高了碳轉(zhuǎn)化速率。隨著復(fù)合載氧體中CuO質(zhì)量比增加，煤的轉(zhuǎn)化

3、速率加快，當(dāng)CuO質(zhì)量比為10wt.％時(shí)，速率趨于穩(wěn)定。基于10wt.％CuO復(fù)合載氧體，反應(yīng)溫度或水蒸汽濃度升高均顯著加快煤轉(zhuǎn)化速率，在反應(yīng)溫度為900℃和介質(zhì)水質(zhì)量流量為0.5 g/min時(shí)，準(zhǔn)東煤碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到93.4％;10次循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:載氧體的反應(yīng)性能在前5次循環(huán)中輕微波動(dòng)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加性能趨于穩(wěn)定。經(jīng)過10次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，載氧體晶粒粒徑變大，表面呈現(xiàn)疏松多孔，無明顯的燒結(jié)現(xiàn)象。X射線衍射(XRD)分析表明，復(fù)合載氧體內(nèi)

4、Cu以高反應(yīng)活性的CuFe2O4形式存在，這主要是通過CuO和Fe2O3的高溫反應(yīng)導(dǎo)致。同時(shí)，床料內(nèi)未發(fā)現(xiàn)大顆粒團(tuán)聚物，床料經(jīng)過磁選分離后，對(duì)載氧體進(jìn)行XRD表征分析可知，準(zhǔn)東煤化學(xué)鏈燃燒過程中部分Na沉積在載氧體上，在氧化狀態(tài)和還原狀態(tài)的載氧體中均可檢測(cè)到高熔點(diǎn)的Na2O·Al2O3·6SiO2，表明準(zhǔn)東煤化學(xué)鏈燃燒過程中部分Na以高熔點(diǎn)Na2O·Al2O3·6SiO2的形式沉積在載氧體上，達(dá)到抑制結(jié)渣的作用。
　　準(zhǔn)東煤中主要

5、的賦存形態(tài)是水溶鈉，醋酸銨溶鈉、稀鹽酸溶鈉和不可溶鈉較少。實(shí)驗(yàn)考察了準(zhǔn)東煤中鈉對(duì)化學(xué)鏈燃燒特性的影響。對(duì)比不同的水洗時(shí)間（0h、2h、12h和24 h）對(duì)準(zhǔn)東煤化學(xué)鏈燃燒特性的影響可知:隨著水洗時(shí)間增長，準(zhǔn)東煤碳轉(zhuǎn)化速率逐漸變小，碳轉(zhuǎn)化率逐漸降低，表明水溶鈉能夠催化準(zhǔn)東煤的氣化速率，且催化特性與水溶鈉含量相關(guān)。對(duì)循環(huán)反應(yīng)前后載氧體物相組成分析可知，水溶鈉易揮發(fā)并遷移至銅鐵復(fù)合載氧體內(nèi)，對(duì)CuAl2O4的生成起到有效的抑制作用，進(jìn)而保證較

6、高的載氧體活性。對(duì)準(zhǔn)東煤進(jìn)行醋酸銨洗和酸洗后的煤開展化學(xué)鏈燃燒特性研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，醋酸銨溶鈉和酸溶鈉對(duì)準(zhǔn)東煤化學(xué)鏈燃燒特性的影響不明顯。
　　基于干法高溫煅燒方法，采用準(zhǔn)東煤灰分別對(duì)鐵礦石載氧體和銅鐵復(fù)合載氧體進(jìn)行修飾，基于小型流化床上，研究煤灰負(fù)載量和循環(huán)次數(shù)對(duì)載氧體反應(yīng)活性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):準(zhǔn)東煤灰修飾的載氧體表現(xiàn)出更佳的反應(yīng)活性;對(duì)5wt.％，10wt.％和15wt.％負(fù)載量的銅鐵復(fù)合載氧體反應(yīng)前后進(jìn)行掃描電鏡(SEM)

7、表征，發(fā)現(xiàn)隨著負(fù)載量增加，載氧體表面孔隙減少，煤氣化產(chǎn)物向載氧體活性中心擴(kuò)散阻力增大，導(dǎo)致載氧體反應(yīng)活性下降，這說明較為合適的煤灰負(fù)載量為5wt.％?；谪?fù)載量為5wt.％的煤灰修飾的復(fù)合載氧體的化學(xué)鏈燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)東煤碳轉(zhuǎn)化率高達(dá)97.7％;基于負(fù)載量為5wt.％的煤灰修飾的復(fù)合載氧體，開展煤化學(xué)鏈燃燒循環(huán)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在前7次循環(huán)過程中煤的碳轉(zhuǎn)化率較為穩(wěn)定，但隨著循環(huán)次數(shù)增加，碳轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)小幅下降趨勢(shì)。為揭示此原因，對(duì)5wt.

8、％煤灰負(fù)載量的銅鐵復(fù)合載氧體進(jìn)行10次循環(huán)反應(yīng)前后物相組成變化分析，可知:新鮮的煤灰修飾的載氧體主要由Fe2O3、CuFe2O4和CaSO4組成，煤灰中的活性成分CaSO4以及Fe2O3具有攜氧特性，充當(dāng)了載氧體的功能，使得在煤化學(xué)鏈燃燒過程中，煤灰和載氧體協(xié)同促進(jìn)煤的轉(zhuǎn)化;經(jīng)過10次還原反應(yīng)后，部分Fe2O3被轉(zhuǎn)化為Fe3O4，同時(shí)CuFe2O4均被還原為CuFeO2，煤灰中的CaSO4部分被還原為CaS，另一部分則被轉(zhuǎn)化為Ca0.1