工业废渣对煤粉燃烧特性的影响及催化机理研究

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随着工业发展,能源消耗,我国优质烟煤储量已到不容乐观的地步,如何高效利用劣质煤来生产水泥,是目前解决水泥工业优质烟煤日益短缺的一个重要课题,而燃煤催化剂被认为是实现劣质煤高效运用的有效方法之一,故对劣质煤催化剂的研究具有重要的意义。  本文以高灰分越南无烟煤(YN)和烟煤(YM)为研究对象,以工业废渣钢渣(GZ)、瓦斯灰(WSH)、磷渣(LZ)为燃煤催化剂。以热重分析、动力学分析为研究手段,以着火温度(Ti)、燃尽温度(Th)、挥发分释放指数(R)和综合燃烧特性指数(S)为评价指标探讨工业废渣的催化助燃效果。另外本文还对工业废渣中的催化活性成分进行了研究,并从催化机理上探讨工业废渣催化效果。  研究表明:适量的掺入工业废渣能有效的改善YN和YM的燃烧特性。尽管工业废渣对YN和YM着火温度的降低作用效果较弱,但对两种煤挥发分析出率的提高、Th的降低、R和S的提高起到很好的催化作用。对于YN:当LZ、WSH和GZ掺入量为2%时,LZ、WSH和GZ分别使YN的Th降低84℃、78℃、69℃;燃烧特性参数R分别从1.20×10-5增大到5.19×10-5、4.77×10-5、4.14×10-5; S依次从0.56×10-9增大到1.22×10-9、1.20×10-9、1.14×10-9。对于YM:当LZ、WSH和GZ最佳掺入量为1%,LZ、WSH和GZ分别使YN的Th降低17℃、25℃、27℃;YM燃烧特性参数R分别从2.00×10-5增大到2.22×10-5、3.11×10-5、3.18×10-5; S依次从8.02×10-10增大到9.37×10-10、10.08×10-10、10.05×10-10。LZ、WSH和GZ催化作用主要与其富含的CaO、Fe2O3等催化活性成分有关,且这些活性成分的对YN、YM的催化助燃效果与燃烧温度有关,当燃烧温度低于550℃左右时,废渣中有效成分不能够被激活,使得废渣对煤粉催化燃烧的效果较弱,这种情况在YN上体现的最为明显。  动力学研究表明,YN和YM最概然机理函数皆为G(α)=[(1-α)-1/3-1]2。动力学参数计算表明,工业废渣不利于降低YN和YM燃烧活化能(E),但能很好的提高指前因子(A),且当废渣掺入量合适时,在相同的温度下,由A起主导作用的反应速率常数(k)能够得到明显的提高,k的提高有助于提高煤粉燃烧速率,促进煤粉的燃烧。工业废渣催化YN和YM燃烧受化学反应和扩散机制控制。  LZ、WSH、GZ的催化机理可用氧传递理论解释。废渣中的活性金属氧化物在煤燃烧过程中不断被氧化和还原,金属氧化物在不断的氧化和还原过程中将氧原子传递给碳,这一传递过程相较于氧气和碳反应更为迅速。
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