两种褐煤加压热解特性及热解过程中微量元素的挥发性研究

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我国褐煤资源丰富,但传统褐煤直接燃烧利用存在利用效率低、污染大和碳排放系数高等问题。在“双碳”背景下,开发低碳环保的褐煤利用新技术势在必行。褐煤挥发分含量高、反应性好,易于通过热解转化为气体、液体和固体产物,进行分级分质利用,提升褐煤利用价值,降低污染物和碳排放。但常规热解得到的褐煤焦油氧含量高、重质组分多、品质低,通过热解工艺提高焦油产率和品质是重要的研究方向之一。另一方面,热解得到的焦炭通常用于气化和燃烧,因此焦炭的性质包括焦炭中微量元素的含量也是需要关心的课题之一。基于此,本文利用加压固定床研究了两种褐煤的热解特性以及褐煤热解过程中微量元素的迁移,重点考察了压力的影响,主要研究内容和结果如下:(1)在加压固床上进行了褐煤慢速热解实验,考察了从室温到900℃升温过程主要气体(H2、CO、CO2和CH4)和气态烃(C2H6、C2H4、C3H8和C3H6)的释放特征及压力(0.1 Mpa-1.0 Mpa)的影响。结果表明:增大压力有利于加强挥发分的二次反应,导致各气体释放峰均向低温方向偏移;加压条件下,CO2和CH4及其他气态烃累计产率增大,主要因为加压促进了焦油的脱羰基和分解反应,而CO和H2的累计产率减少,因为加压有利于体积缩小反应,煤中的氧和氢元素更多以CO2和气态烃而不是以CO和H2析出。(2)利用气相色谱质谱联用(GC-MS)分别鉴定了焦油中分子组成,用火焰离子检测器气相色谱(GC-FID)对典型化合物进行了定量分析,考察了压力对焦油组成的影响,并通过物料和元素平衡研究了焦油脱氧行为,压力对褐煤热解固体、液体产物的影响。研究结果显示:加压热解使焦油中轻质烃类化合物数量和比例增多,尽管BTX(苯、甲苯和二甲苯)产率减少;酚类化合物产率增加,但转移至焦油的氧比例减小,表明加压条件有利于焦油脱氧;加压热解也使焦炭中氧含量降低。(3)借助微波消解仪和电感耦合等离子体质谱仪定量分析了在不同热解条件下所得焦炭中的微量元素(Li、Be、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、As、Se、Sr、Cd和Pb)。研究发现:总体上,当热解温度从800℃提高到900℃,许多微量元素比如Zn、Ga、As、Se和Pb的挥发性明显提高;增大压力,Li、V、Zn、Ga、Pb的挥发性增大,但Mn、Ni、Cu、Cd挥发性基本不变。
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