低阶煤焚烧过程中Cr的迁移转化规律及Cr-Ca氧化机理研究

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重金属Cr尤其是Cr(Ⅵ)对人类的健康威胁巨大,而燃煤过程是环境中Cr的主要来源之一。低阶煤中有机态Cr含量相对较高,与无机态Cr相比燃烧时较易氧化为Cr(Ⅵ),对环境的危害较大。因此探究其燃烧过程中Cr的迁移转化规律对控制Cr的排放尤为重要。并且低阶煤中含有大量的碱金属碱土金属,其中的CaO是促进燃料燃烧过程中Cr氧化的重要因素,但是对于Cr-Ca体系下Cr的氧化机理研究相对较少,其氧化路径尚不明确。  因此本文首先对低阶煤燃烧以及掺烧污泥过程中Cr的迁移转化规律进行了探索;然后对Cr-Ca体系下CaCr2O4的生成及氧化机理进行了深入地研究,并找到抑制其氧化的方法;最后对CaCr2O4的生成及氧化动力学参数进行了求解,以利于对实际燃烧过程中Cr的氧化进行预测和控制。取得的主要研究结果包括:  通过BCR逐级提取方法探究了低阶煤中Cr的赋存形态,结果表明低阶煤中Cr主要以有机态Cr和残渣态Cr的形式存在;对其中较为典型的西黑山煤和万向煤在水平管式炉中进行燃烧实验,证实了燃烧过程中Cr的挥发率主要由有机态Cr的含量决定,且主要集中在挥发分析出阶段;在沉降炉中进行低阶煤掺烧污泥的实验过程中发现燃烧温度的升高,反应气氛中的水蒸气和HCl都会促进了Cr(Ⅵ)的生成。  CaCr2O4是Cr-Ca体系下生成Cr(Ⅵ)的重要中间产物,通过热重-差热分析仪、XRD、SEM等测试结果发现,CaCr2O4可以通过CaCrO4高温下分解生成,也可以通过CaO  与Cr2O3高温下接触缓慢生成;虽然这两种CaCr2O4具有相同的晶体结构,但因其微观结构不同,导致其起始氧化温度和氧化速率不同;并且CaCr2O4的氧化受到CaO量和温度的影响,温度较低时CaCr2O4主要被氧化为CaCrO4,而当温度达到1373K且CaO过量时,CaCr2O4被氧化为Ca3(CrO4)2;研究还发现不仅CaO会促进CaCr2O4的氧化,CaSO4也可以促进CaCr2O4的氧化;酸性物质如SO2或者Si/Al化合物将同CaCr2O4竞争游离CaO,从而抑制CaCr2O4的氧化。  通过热重-差热分析仪,采用Coats-Redfern法求得CaCr2O4的生成及氧化动力学参数;其中包括CaCrO4在Ar气氛下和20%O2气氛下分解生成CaCr2O4时的动力学参数;同时对CaCr2O4-Ⅰ和CaCr2O4-Ⅱ与CaO或CaSO4以不同n(Ca/Cr)混合时的氧化动力学参数进行了求解。  综上,本论文的研究结论可为低阶煤燃烧过程中重金属Cr的释放及氧化控制提供理论基础,从而减少Cr(Ⅵ)生成及污染。
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