基于微波加热线性金属强化型煤热解及碳热还原软锰矿研究

• 作 者: 秦晓敏
• 出 处: 山东科技大学
• 发表日期: 2021年06期
• 关键词: 线性金属 整型炭 燃烧特性 气化特性 碳热还原

粉煤直接燃烧热利用率低且污染严重,通过压缩固化制成型煤对其后续高效洁净利用有重要意义。为探索型煤分级分质洁净利用的有效方法,本文开展基于微波加热线性金属强化型煤热解及碳热还原软锰矿研究,主要内容与结论如下:以微波热解实验装置为平台,在微波功率320W和时间15 min下研究铁、铝和铜线性金属种类和长度对型煤失重率和产物分布的影响规律,对固态产物整型炭理化性质进行测试,掌握整型炭主要性质与金属长度的定量关系,确定最优金属类型及长度。结果表明,同种金属长度增加,型煤失重率增大,焦油和煤气收率增加;金属长度相同,金属铁强化型煤热解效果优于金属铝和金属铜,热解所得整型炭具有良好的理化性质。长度为10 cm金属铁是最佳线性金属种类和长度,此条件下型煤失重率为47 wt.%,焦油收率为26 wt.%,煤气收率为16 wt.%,整型炭收率为52 wt.%,整型炭抗跌落率和吸水率分别为 99.23 wt.%和 37.12 wt.%。利用热重分析仪,在50-900℃温度窗口内对整型炭进行纯氧燃烧和二氧化碳气化实验,获取燃烧热力学参数与气化反应性指数,研究气化和燃烧特性与热解条件的关系,对整型炭燃烧与气化反应进行动力学分析,以揭示整型炭燃烧和气化反应规律。燃烧特性分析结果表明,同种金属长度增加,整型炭着火温度和燃尽温度升高,着火指数减小,燃烧性能变差,反应剧烈程度变弱,活化能增加,反应活性变差。整型炭主体燃烧阶段符合一级反应规律,并存在动力学补偿效应,补偿系数与热解条件无关。长度为4 cm金属铜强化型煤热解所得整型炭着火温度为278℃,活化能为51.47 kJ/mol,指前因子为468.5 min-1,着火容易,燃烧性能最佳。气化特性分析结果表明,整型炭主体气化阶段遵循未反应收缩核模型,同种金属长度增加,整型炭碳转化率达到50%时所对应的温度值T0.5增大,活化能和指前因子增大,反应活性变差。气化反应存在动力学补偿效应,补偿系数与热解条件无关。长度为4 cm金属铜强化型煤热解所得整型炭气化反应T0.5为777.91℃,活化能为67.54 kJ/mol,气化反应活性最佳。利用整型炭为还原剂,将整型炭粉碎与软锰矿混合均匀压制成型,通过线性金属耦合微波碳热还原软锰矿实验,以锰浸出率为指标量化评价软锰矿还原效果,研究线性金属种类和长度对锰浸出率的影响规律,初步揭示还原反应过程机理。结果表明,同种还原剂和金属种类条件下,金属长度增加,锰浸出率升高,且金属铁强化软锰矿还原效果优于金属铝和金属铜。长度为10 cm金属铜强化型煤热解所得整型炭作为还原剂,嵌入长度为10cm金属铁强化还原时,锰浸出率为97.2 wt.%,软锰矿还原效果最佳。微波场中嵌入线性金属强化微波选择性加热,促进还原反应与气化反应两者循环进行,增强软锰矿还原效果。