煤颗粒流化床脱挥发份的实验研究

　　1　引言

　　煤颗粒燃烧过程可分为两个阶段:(1)煤中挥发份的释出、燃烧。(2)焦炭(由煤析出挥发份后形成)的燃烧。文献〔1-5〕表明温度、煤种是影响煤脱挥发份行为的重要因素。一般在进行煤颗粒脱挥发份实验时,常在惰性气氛,这与实际煤燃烧过程(氧化性气氛)中脱挥发份情形相差甚远。为此,本文在一小型流化床实验台上进行煤颗粒脱挥发份实验,研究了床温、煤种、气氛对煤中C、H、N等元素变化行为的影响。

　　2　实验部分

　　2.1　实验装置

　　实验所用流化床实验台如图1所示,本体由一根内径为100 mm的不锈钢管制成。床层高度为220mm,悬浮段为780 mm,不锈钢管下段置于一管式电炉中,本体外包裹硅酸铝耐火纤维保温绝热。流化气体两种:来自叶氏风机的压缩空气和高压瓶装氮气,流化气体由床层下部进入。热电偶(13)用于监控床层温度,在床温为850℃时,临界标准空气量为0.45 m3/h。实验中流化标准气量为2.1m3/h。用不锈钢探针(内径为6 mm)从自由空间抽取烟气,样气经过陶瓷过滤器和电加热保温的Teflon软管,取样泵进入样气分析装置。烟气中NO、N2O、SO2浓度由雷斯蒙特Binos1004不分光红外分析仪测定,COO2分析仪为雷斯蒙特Binos100不分光红外分析仪。每次试验前,对所有分析仪进行零气校正。

　　2.2　实验物料

　　床料采用河砂主要成分为SiO2,平均粒径为0.35 mm。实验中所用煤种为褐煤和无烟煤,煤质分析如表1所示,粒径为2.0～2.5 mm。

　　2.3　实验方法

　　实验时,床层温度取700℃、800℃、900℃,气氛取空气、氮气两种。一次性加入煤样3 g至床层表面,实验中在空气气氛中脱挥发份过程的完成由烟气中CO2浓度的变化曲线确定,图2为褐煤在床温900℃燃烧过程中CO2浓度随时间的变化曲线,CO2浓度开始急剧上升,到达峰值后快速下降,这是由于挥发份的析出、燃烧,之后进入缓慢的变化区域,这表示进入焦炭燃烧区。因此,便可确定出煤颗粒脱挥发份过程的时间。当脱挥发份过程结束时,迅速将空气切换成氮气,取出生成的焦炭,立即用氮气吹冷至室温,进行元素分析。由图2还可看出氮气为流化气体时,没有焦炭燃烧区,CO2曲线峰值只有空气中的50%左右,且两者脱挥发份时间大致一样。

3　结果与讨论

　　3.1　床温的影响

　　随着床温的升高,由图3可见,两种煤的C、H、N留在煤焦中的份额均下降,但变化规律各有不同,C、N的大部分(超过70%)在床温700℃时,留在焦中,H的大部分(约70%)已随挥发份析出。当床温由700℃上升到900℃时,两种焦的C的份额下降并不剧烈,说明在床温低于700℃时,含C的挥发份已大部分释放,N在煤中主要以比较稳定的芳香环结构(吡啶、吡咯)存在,它的释放主要在环结构破裂以后〔3〕,由文献〔3〕含N基团的裂解温度为500℃～700℃,由图可见,在700℃时,两种煤焦中N的份额分别为93%、70%,当床温由700℃上升到900℃时,芳香环分解加剧,N的释放显著,焦中的N份额分别下降到65%、55%;当床温由700℃上升到900℃时,两种焦中残留的H的份额减少到10%左右,已有90%挥发出去,这可能是由于H在煤中的结构主要以分子量较小的烷烃、羟基形式存在,并处于芳香环结构的支链上〔6〕,受热后支链易脱离环结构、析出。