碱金属对煤燃烧特性的影响及动力学分析
 

摘要：5 本文利用热重法研究了碱金属盐（K2CO3,NaCl）对煤粉燃烧特性的影响。结果表明，K，Na 能够改善煤粉的燃烧性能，随着K，Na 负载量的增加，煤的着火温度降低；K 对挥发分的析出、着火以及固定碳的燃烧都具有催化作用，Na 主要催化固定碳的燃烧。原煤、各K、Na负载煤粉在低温段和高温段的燃烧均为一级反应，Na、K 可减小体系表观活化能。
 

关键词：煤；碱金属；燃烧；动力学；热重分析

0 引言
提高煤的燃烧效率和降低污染物排放是煤炭能源高效利用的关键。已有研究表明[1]，选择适当的燃煤催化剂可以降低煤粉的着火温度、提高燃烧速率及燃烧效率，即达到提高煤粉自身燃烧性能的目的，同时还有脱硫脱氮作用，减轻煤燃烧对环境的污染。碱类催化剂，特别是钠盐来源广泛、价格便宜、催化作用显著、可用工业废碱(黏胶废液、纸浆废液等)代替，很有应用前景[2]。国内外学者已开展了碱金属对燃料的气化、热解及燃烧的影响研究，并探讨了催化机理。结果表明，碱金属对煤的二氧化碳/水蒸气气化，煤的热解，以及焦炭燃烧具有催化作用，能够降低反应过程的活化能，提高反应速率[3-8]，得出了碱金属对活性碳孔隙结构的形成机理[9-10]。同时碱金属对煤焦还原NO 具有催化作用，减少燃料氮向NO 的转化[11-13]。在进行催化研究时，常用的方法是对煤粉进行脱灰处理再掺入催化剂[8,14,15]，但脱灰处理会导致煤结构发生变化[12]，高变质程度煤反应活性提高，低变质煤反应活性下降[13]。因此，脱灰处理改变了燃料的反应性质。本文不对煤粉进行脱灰处理，湿法负载催化剂，通过热分析方法研究碱金属种类及负载量对煤粉燃烧机理与动力学参数的影响，探索碱金属的催化燃烧机理，为煤粉催化燃烧的工程应用提供理论依据。

4 结论
（1）K2CO3 对煤粉燃烧的主要作用温度范围在250 ℃-550 ℃之间，对挥发分的析出、燃烧及固定碳的燃烧起催化作用，NaCl 对煤粉燃烧的影响与钾不同，主要集中在400-600℃温度段，不能降低挥发的分析温度，可提高挥发分和固定碳的燃烧速率。
 

（2）K2CO3、NaCl均具有降低煤粉着火温度的作用，NaCl对煤粉着火影响远没有K2CO3显著，当K、Na 负载量在低于52.0497 mg/g 煤和8.9694 mg/g 煤时，随着负载量的增加着火温度降低，与原煤相比最多降低60 ℃和32 ℃。此后，K 负载量的增加不能进一步降低煤粉的着火温度，Na 甚至有所提高。K2CO3、NaCl 负载量存在一个最佳值。
 

（3）K 负载煤粉燃烧失重速率峰与煤相比矮而宽，且由单峰变为双峰，说明钾的负载使煤粉的着火方式由非均相着火向均向着火转变。Na 负载样品的失重速率峰与原煤相似，随着负载量的增加，DTG 曲线向左移，达到最大失重速率的温度降低。
 

（4）Na 和K 负载样品的放热峰面积均大于原煤，K 的负载量在33.6126-52.0497 mg/g煤之间时，Na 负载量在7.1475 mg/g 煤时，对煤粉催化燃烧效果好。
 

（5）原煤、各K、Na 负载煤粉在低温段和高温段的燃烧均为一级反应，其机理函数为： f (α ) = (1−α )。在低温区，各K 负载煤样的表观活化能与原煤相当，且普遍低于Na 负载煤样，在高温区，Na、K 负载煤样的表观活化能均低于原煤，且符合先降低后升高的规律。说明Na、K 减小了体系表观活化能，提高了反应速率，使TG 曲线向低温方向移动。

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