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高砷褐煤与低砷烟煤混燃砷的挥发特性及模型

2016-10-27刘慧敏王春波郭永成张月黄星智王家伟

化工学报 2016年10期
关键词:混煤烟煤褐煤

刘慧敏,王春波,郭永成,张月,黄星智,王家伟



高砷褐煤与低砷烟煤混燃砷的挥发特性及模型

刘慧敏,王春波,郭永成,张月,黄星智,王家伟

(华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京 102206)

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°C)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。

高砷褐煤;低砷烟煤;混燃;砷挥发;模型

引 言

煤燃烧产生的有毒痕量元素汞、砷等对人类健康造成了严重威胁[1]。几乎所有的砷化合物均有毒,且+3价砷的毒性比+5价砷高约50倍[2]。我国黔西南地区燃用高砷煤已造成严重的砷中毒事件,贵州省受砷中毒威胁的人口多达10万人[3]。此外,煤中砷含量偏高还会导致炉膛出口烟气中砷的浓度增加,这是使燃煤电厂脱硝催化剂中毒的主要原因[4]。目前我国针对高砷煤利用的对策主要包括:严禁高砷煤的开采[5]、改水改灶[6]、强调不能食用高砷煤烘烤的食物以及对现症病人进行了不同疗程的驱砷治疗[7]等。如何有效利用高砷煤以及减少砷污染物排放对环境的污染显得尤为重要。

混煤燃烧技术是基于电厂燃用非设计煤种造成锅炉运行系列问题而产生的技术,对提高锅炉燃烧安全性、经济性,控制污染排放非常有效,是合理利用现有煤炭资源的一个发展趋势[8-10]。但目前砷的挥发和排放特性几乎都是在单煤的基础上开展研究,关于混煤燃烧砷的挥发特性还鲜有报道[11-14]。有部分学者研究煤和CaO掺混砷的析出特性,例如张军营等[15]通过原煤掺混CaO的循环流化床燃烧实验证实了CaO对砷的挥发具有抑制作用;Zhao等[13]利用一维沉降炉研究了两种高砷煤添加CaO前后砷在细微颗粒物中的迁移及浓度变化,结果显示添加3%的CaO后PM1和PM10中砷的浓度均有所降低。但是掺混CaO的方法具有一定的局限性,并不适用于实际煤粉锅炉。Jiao等[16]利用循环流化床研究了高钙煤与低钙煤混燃飞灰中砷的淋滤特性,但没有考虑各种因素对砷挥发的影响,也没有涉及高砷煤混燃的相关研究。

在此基础上,本文选择贵州高砷褐煤与低砷烟煤,在一维等温燃烧实验台上进行高砷褐煤混燃实验,研究不同温度和掺混比例下混煤燃烧砷的挥发规律,进一步分析混煤燃烧特性对砷挥发的影响,并在此基础上提出高砷褐煤混燃砷的挥发模型,为高砷煤的合理利用和混煤砷的挥发特性提供参考。

1 实验部分

1.1 实验装置和样品测试

本文选取西南地区的典型高砷煤种:贵州兴仁矿区褐煤(GX)作为掺混对象,煤中砷含量为70.24 μg·g-1,远高于中国煤的平均砷含量(4 μg·g-1)[17],另外,以大部分省份的砷含量算术平均值仅为2 μg·g-1左右为依据[18],选取山西大同矿区的典型低砷烟煤CA作为被掺混对象,煤中砷含量为2.81 μg·g-1。实验煤样均研磨筛分至粒径范围100~150 μm再进行燃烧实验。煤样的元素分析、工业分析和砷含量如表1所示。

图1 实验装置

表1 煤样的基本性质

混煤燃烧实验在自行设计的恒温热重实验台上进行,实验系统如图1所示。高温管式炉最高可控温度1700℃,控温精度±5℃,管式炉直径50 mm,恒温区长度200 mm。每次实验称取(0.50±0.01)g煤样,平铺于刚玉舟中迅速送入炉膛恒温区,通过数据采集系统对煤样质量的实时变化情况进行记录,记录频率为1个/秒。为了减小燃烧实验误差,相同实验工况均重复3次,记录3次的灰样质量来计算得到砷挥发特性的3组数据,取3组实验的平均值作为终值。受限于GX煤的低灰熔点(1160℃),混煤实验的燃烧温度选取为600、800、900、1000、1100℃。空气流量保持0.14 m3·h-1,前期实验证明该流量可消除外扩散的影响[19-21](再增加流量同一工况下煤粉的动力学特性不再发生明显变化)。两种煤的掺混比例设置为3:1、1:1、1:3。

煤样的消解方法参照GB/T 3058—2008《煤中砷的测定方法》,即将煤样与艾氏剂混合灼烧,用盐酸溶解灼烧后的样品,加去离子水定容至100 ml,待测。灰样利用德国Berghof公司的SpeedWaveMWS-4型微波消解仪进行消解,具体方法是称取0.2 g固体灰样放入消解罐,依次加入5 ml浓硝酸和2 ml氢氟酸,按照仪器给定的煤灰消解程序进行消解,消解后加去离子水定容至100 ml,待测。消解后的煤样和灰样利用自动氢化物发生原子荧光光谱仪(英国PSA公司,PSA 10.055 Millennium Excalibur)检测液体样品中的砷含量。砷的标定曲线是用As3+标准液体进行绘制,标线范围0~10 ng·g-1,标线的线性度为0.9994,如图2所示。为了降低测量误差,每个样品测试3次,相对偏差位于±10%以内认为数据有效,测量过程中进行QA & QC校验,取3次有效测试数据的平均值作为测试结果。

图2 砷的标定曲线

1.2 砷挥发特性的分析方法

为了更好地描述混煤恒温燃烧砷的挥发特性,引入以下几个参数进行表征。

原煤基下灰中砷含量1(μg·g-1)

原煤基下灰中砷的残留比例(%)

燃烧温度时砷的挥发比例(失重比例)(%)

燃烧温度时砷的挥发速率(失重速率)(%·℃-1)

表示在燃烧过程中煤中砷的失重比例随温度变化的快慢程度。

2 结果与讨论

2.1 混煤砷含量

将高砷褐煤GX与低砷烟煤CA按照实验设定的3个比例(3:1、1:1、1:3)制成3种混煤,测量3种混煤的砷含量,同时与混煤加权砷含量曲线进行对比,结果如图3所示。

图3 混煤砷含量

从图3可以看出,混煤砷含量值均匀落在加权砷含量曲线两侧,与加权曲线非常接近,可见高砷煤掺混低砷煤后,混煤中砷的含量基本满足加权关系。

2.2 混煤砷挥发特性

选取高砷褐煤GX、低砷烟煤CA、GX:CA混煤在600~1100℃下燃烧,部分温度和掺混比下灰中砷的残留量、砷的挥发量及砷的挥发比例如表2所示。

表2 不同温度和掺混比下混煤燃烧砷的挥发

2.2.1 温度的影响 从表2中可以看出,随着温度的升高,单煤及混煤中砷的残留比例不断减少,砷的挥发比例逐渐增大。这是由于温度升高以后,煤中水分和挥发分的析出速率加快,砷在煤颗粒表面的蒸发速度加快;焦炭颗粒内部孔隙率增大,减少了砷在颗粒孔隙中的扩散阻力;温度升高以后砷化合物分子从熔融体内部到熔融体表面的扩散系数增大,因此更多的砷随着煤的燃烧释放出来[22]。

与CA煤相比,GX煤体现出较高的砷挥发比例。这除了和GX煤本身的高砷含量有关以外,还和煤中砷的赋存形态有很大关系[23]。利用逐级化学提取的方法[24],将煤中砷的形态分为可交换态、有机态、酸溶态和残渣态。得到单煤GX和CA中砷的赋存形态和所占比例如表3所示。

表3 煤中砷的赋存形态和比例

从表3中可以看出,酸溶态砷(绝大多数为以硫化物形式存在的砷[24])是煤中砷的主要赋存形态,且GX煤中酸溶态砷所占的比例明显高于CA煤。根据已有实验结论[23],600~1100℃区间酸溶态砷的大幅度减少是气相砷增加的主要来源,说明600~1100℃下煤中砷的挥发主要是通过酸溶态砷的分解/氧化分解。GX煤中酸溶态砷的比例高于CA煤,因此相同条件下GX煤中砷的挥发比例更大。

2.2.2 掺混比的影响 通过表2可以发现,GX:CA混煤燃烧后砷的挥发比例介于两个单煤之间。随着低砷煤CA的掺混比例的增大,GX:CA混煤燃烧砷的挥发比例逐渐减小。造成这种现象的主要原因是低砷煤CA中酸溶态砷的比例远低于高砷煤GX,随着GX煤掺混CA煤的比例增大,混煤中酸溶态砷的比例逐渐降低,因此混煤燃烧砷的挥发比例不断减小。

但混煤燃烧砷的挥发并非两个单煤砷析出过程的简单叠加。利用加权平均法计算900℃和1100℃、不同掺混比下混煤燃烧砷的挥发比例加权值,与实验值的对比如图4所示。

图4 混煤砷挥发比例的实验值与加权值对比

从图4中可以看到,与加权值相比,不同温度和掺混比下混煤燃烧砷挥发比例的实验值均偏高。混煤燃烧砷的挥发特性更接近单煤GX,说明掺混高砷褐煤GX促进了GX:CA混煤中砷的挥发。

2.3 混煤燃烧等温失重特性

为了进一步研究褐煤掺混对混煤砷挥发的影响,将1100℃、不同掺混比下单煤及GX:CA混煤燃烧的等温失重曲线进行对比,结果如图5所示。

图5 1100℃混煤燃烧等温失重曲线

从图5中可以看出,随着GX高砷褐煤掺混比例的增大,混煤燃烧等温失重曲线左移,燃尽时间缩短。这是由褐煤与烟煤的煤质差异造成的。掺混褐煤后混煤的挥发分及水分含量增多,水分和挥发分的析出导致煤粒形成大量新的微孔,促进了氧气的扩散和与煤焦的反应[25];同时大量挥发分燃烧产生的热量使混煤焦炭表面温度升高,加速了混煤燃烧速率[26],从而缩短了燃尽时间。观察图5中的等温失重速率曲线,可以发现燃烧初期单煤及混煤均存在剧烈失重,这主要是由水分和挥发分快速析出导致的,随着褐煤GX掺混比例的增大,燃烧初期的混煤失重峰逐渐减小。而在燃烧中后期,与CA单煤近似线性的失重速率曲线相比,GX单煤及GX:CA混煤的失重速率曲线分为两个明显的阶段:<90 s阶段和>90 s阶段。主要原因是掺混GX褐煤后挥发分的快速析出和燃烧加速了混煤焦炭的燃烧,同时消耗掉大量的氧气[27],导致残余焦炭的失重受限,因此出现了一个小的拐点。

由于褐煤的高挥发分对混煤焦炭燃烧的促进作用,GX:CA混煤在燃烧中后期表现出和GX单煤近似的失重特性曲线。而由以往的分析[23]可知,可交换态砷和有机态砷易于随着挥发分的析出释放到气相,煤中以硫化物结合态形式存在的砷则主要伴随着焦炭的燃烧发生氧化或分解。掺混高挥发分的GX褐煤后GX:CA混煤中焦炭的加速燃烧放出大量的热量,促进了煤中硫化物和其他矿物质的分解反应[28],进而促进了煤中硫化态砷发生氧化或分解反应挥发出气相砷,最终导致混煤燃烧砷的挥发特性更接近GX单煤。

3 混煤砷挥发模型

由上述分析可知,混煤砷的挥发与温度和掺混比密切相关,同时与烟煤相比,高砷褐煤中较高的挥发分对混煤整体砷的挥发比例有一定的促进作用。依据表2的实验数据,以混煤中高砷褐煤GX的质量分数(GX:CA3:1、1:1、1:3分别对应的值为0.75、0.50、0.25,GX单煤对应值为1,CA单煤对应值为0)为横轴,600、800、900、1000和1100℃温度下,GX:CA混煤砷挥发比例的实验曲线如图6所示。

图6 混煤砷挥发比例随x的变化规律

从图6中可以看出,不同温度下GX:CA混煤砷的挥发比例与高砷褐煤GX的质量分数均符合二次函数关系,且随着温度的升高,煤质差异对混煤整体砷挥发的影响更加显著。为了综合描述高砷褐煤与烟煤混燃砷的挥发特性,提出了高砷褐煤掺混烟煤燃烧砷的挥发模型

利用上述模型计算得到GX:CA混煤在不同温度和掺混比例下的值,发现值是温度的单值函数,且在600~1100℃范围内符合S形生长曲线,如图7所示。

图7 高砷褐煤影响因子a与温度T的关系

利用模型式(9)计算900℃和1100℃、不同掺混比下的GX:CA混煤砷的挥发比例,并将模型结果与实验值进行对比,如图8所示。

图8 混煤砷挥发模型值与实验值对比

从图8中可以看出,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,与简单加权方法相比,本模型更适用于高砷褐煤与低砷烟煤掺混砷的挥发特性预测。

煤中砷的挥发特性与很多因素有关,例如煤种、煤质参数(元素分析和工业分析)、煤中砷含量和砷的赋存形态、硫含量和硫的赋存形态、矿物质组分、成灰特性等。由于砷的痕量级和煤中砷挥发特性的复杂性,目前还没有可以精确预测单煤砷挥发特性的数学模型,关于混煤砷挥发的数学模型更未见报道。在现有方法和目前模型研究的局限下,本文将两个单煤的砷挥发数据作为已知参数,初步探索了单煤砷挥发模型不成熟带来的混煤模型建立难题。在已知两个单煤砷挥发特性的基础上,建立混煤砷挥发数学模型,可以对不同温度、不同掺混比例下的砷挥发特性进行预测。这为混煤燃烧砷挥发特性的预测提供了一种新的思路。

但本模型也具有一定的局限性,即模型的计算温度范围为600~1100℃,且两个单煤的砷挥发特性实验曲线为已知参数。在这种情况下,改变掺混煤种后,考虑煤质差异的影响因子随之改变。故本模型还无法预测其他煤种掺混的挥发特性。还需要后续进行大量的探索性实验,得到不同煤种和温度下值的变化规律,以期望建立普适性的混煤砷挥发数学模型。

4 结 论

选取贵州兴仁矿区高砷褐煤GX,与典型低砷烟煤CA在水平管式炉上进行混煤燃烧实验,研究600~1100℃,不同掺混比(3:1、1:1和1:3)下混煤燃烧砷的挥发特性,结论如下。

(1)随着温度的升高,单煤及GX:CA混煤中砷的残留比例不断减少,砷的挥发比例逐渐增大。GX:CA混煤燃烧砷的挥发特性介于两个单煤之间,但不同温度和掺混比下混煤砷的挥发比例均高于实验加权值,更接近高砷褐煤GX。

(2)在单煤砷挥发实验的基础上,建立了高砷褐煤(A)与烟煤(B)混燃砷的挥发模型,其中表示煤质差异的影响因子,是温度的单值函数。不同温度和掺混比下的模型计算结果与实验值吻合较好。

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Experimental and modeling study on arsenic volatilization during co-combustion of high arsenic lignite and low arsenic bituminous coal

LIU Huimin, WANG Chunbo, GUO Yongcheng, ZHANG Yue, HUANG Xingzhi, WANG Jiawei

(Department of Energy Power & Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Arsenic volatilization characteristics during co-combustion of high arsenic lignite and low arsenic bituminous coal were carried out on an isothermal experiment system from 600℃ to 1100℃ at different blending ratios (3:1, 1:1, 1:3). The results showed that with increasing temperature, the arsenic volatilization in single and mixed coals increased gradually. The volatilization ratios of arsenic in mixed coals at various blending ratios were between two single coals, while they were larger than the weighted average values. Combined with isothermal coal combustion curves, it was found that high volatile content in lignite affected the char combustion properties in blended coals, which in turn promoted the volatilization of arsenic. Considering the effects of temperature, coal blending and the difference of coal rank, the arsenic volatilization model during mixed coal combustion was proposed. The model results fit the experimental curves well, which provided a reference for the prediction of arsenic volatility characteristics of blended coals.

high arsenic lignite; low arsenic bituminous coal; coal blending; volatilization of arsenic; modeling

2016-04-22.

LIU Huimin, liuhuimin0309@126.com

10.11949/j.issn.0438-1157.20160530

X 511

A

0438—1157(2016)10—4477—08

国家“煤炭清洁高效利用和新型节能技术”重点专项(2016YFB0600700)。

2016-04-22收到初稿,2016-07-12收到修改稿。

联系人及第一作者:刘慧敏(1990—),女,博士研究生。

supported by the National “Clean and Efficient Utilization of Coal and New Energy Saving Technology” Special Focus (2016YFB0600700).

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