鄒 潺， 王春波， 王賀飛， 郭永成， 李新號(hào)

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 河北保定 071003)

燃煤過程中砷揮發(fā)特性及動(dòng)力學(xué)特性的研究

鄒 潺， 王春波， 王賀飛， 郭永成， 李新號(hào)

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 河北保定 071003)

為了研究不同因素對(duì)砷揮發(fā)的影響，選取7種典型煤種作為研究對(duì)象，在600～1 300 ℃內(nèi)進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，并對(duì)煤的砷揮發(fā)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析.結(jié)果表明：當(dāng)灰分含量差別不大時(shí)，2 min時(shí)高揮發(fā)分煤中砷的揮發(fā)比例大于0.6，而低揮發(fā)分煤中砷的揮發(fā)比例不到0.3；當(dāng)揮發(fā)分含量相差不大時(shí)，煤中砷的揮發(fā)比例與煤中的灰分有一定負(fù)相關(guān)性；溫度是影響砷揮發(fā)的重要因素，700～1 000 ℃是砷揮發(fā)的主要溫度區(qū)間；當(dāng)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到10%時(shí)，其對(duì)砷的揮發(fā)比例和揮發(fā)速率影響較為明顯，當(dāng)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大，其對(duì)砷揮發(fā)的影響逐漸減弱；揮發(fā)分對(duì)砷揮發(fā)表觀活化能的影響大于灰分.

煤燃燒； 砷； 揮發(fā)； 動(dòng)力學(xué)

我國(guó)能源結(jié)構(gòu)以燃煤為主，并且在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)這種格局不會(huì)發(fā)生大的變化.燃煤帶來熱量的同時(shí)，也會(huì)排放大量的SO2、NOx、痕量元素和固體顆粒等污染物[1].痕量元素主要是汞、砷等重金屬，由于砷的毒性和致癌性，受到人們?cè)絹碓綇V泛的關(guān)注[2].常規(guī)污染物(SO2、NOx等)的排放控制技術(shù)已相對(duì)比較成熟，但關(guān)于煤中痕量元素對(duì)環(huán)境的污染及其對(duì)人體危害的研究還較少.

燃煤過程中砷的釋放過程是極其復(fù)雜的，大致可分為3個(gè)過程：殘?jiān)鼞B(tài)的砷在熔融礦物質(zhì)中的擴(kuò)散；砷元素在煤顆粒表面蒸發(fā)；砷元素在孔隙中擴(kuò)散釋放.國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)煤中砷含量進(jìn)行了系統(tǒng)分析，對(duì)不同地區(qū)不同成煤時(shí)代的不同煤種中砷的分布及賦存進(jìn)行了大量研究[3-4].砷在煤中的賦存形態(tài)主要為有機(jī)態(tài)砷、硫化態(tài)砷、砷酸鹽態(tài)砷及進(jìn)入黏土礦物晶格的砷等，煤中砷的賦存形態(tài)不同，其在燃燒過程中的揮發(fā)特性也有所區(qū)別.Clarke[5]指出，溫度是影響煤中砷釋放最主要的因素；孫景信等[6]在燃燒實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，800 ℃以上時(shí)砷的揮發(fā)率大于25%，隨著溫度的繼續(xù)升高，砷的揮發(fā)率不斷提高；Zhou等[7]研究了煤矸石燃燒過程中痕量元素和礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)變特性，發(fā)現(xiàn)礦物質(zhì)的相變轉(zhuǎn)化很大程度上依賴于溫度，且痕量元素的揮發(fā)率隨溫度升高不斷提高.以上研究基本停留在砷揮發(fā)比例的變化上，很少涉及砷的揮發(fā)動(dòng)力學(xué).氣氛影響煤的燃燒過程，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致砷的揮發(fā).劉慧敏等[8]研究了富氧氣氛下砷的揮發(fā)特性，CO2和O2濃度是影響砷揮發(fā)的主要因素，不同溫度區(qū)間2種氣體的主導(dǎo)效果不同.Low等[9]利用富氧沉降爐結(jié)合XANES技術(shù)分析，得到φ(O2)/φ(CO2)=27/73氣氛下砷的揮發(fā)比例略高于空氣氣氛下砷的揮發(fā)比例.Miller等[10]研究了SO2對(duì)生物質(zhì)燃燒砷揮發(fā)的影響，結(jié)果表明SO2對(duì)砷的釋放有一定抑制作用.王春波等[11]研究發(fā)現(xiàn)水分對(duì)煤燃燒特性有重要影響，氣氛中水蒸氣改變了燃煤孔隙結(jié)構(gòu)，促進(jìn)煤的燃燒，而關(guān)于煤在含水氣氛中燃燒時(shí)砷的揮發(fā)特性還尚未報(bào)道.

煤燃燒時(shí)痕量元素?fù)]發(fā)特性的研究已成為潔凈煤燃燒的新興領(lǐng)域，許多學(xué)者對(duì)煤中砷的賦存、釋放特性及機(jī)理開展了大量工作.筆者在前人基礎(chǔ)上主要研究煤種、溫度和水分對(duì)砷揮發(fā)的影響.限于砷的在線測(cè)量難度大，研究重點(diǎn)在砷的最終揮發(fā)比例，最后分析煤燃燒過程中砷的揮發(fā)動(dòng)力學(xué)特性.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品選取

煤中砷的含量與煤質(zhì)有很大聯(lián)系，不同煤種的砷含量不同，其砷的賦存形態(tài)也有很大差異.筆者選取幾種有代表性的煤種(五里莊、弘建紅巖、紅巖、梅花井、潞安、三元中能及石炭)進(jìn)行研究.所有煤種的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本相同，在0.30%～0.38%內(nèi)變化.其中五里莊、紅巖、梅花井3種煤都含有約20%的灰分，但是其揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定的梯度，在11.69%～35.58%內(nèi)變化.弘建紅巖與紅巖有相同的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定差別.其他3個(gè)煤種有相同的揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定的梯度.所有的煤種都研磨到100～150 μm.煤樣的元素分析、工業(yè)分析見表1.

表1 煤的基本性質(zhì)(空氣干燥基)

1.2 實(shí)驗(yàn)燃燒設(shè)備及方法

該實(shí)驗(yàn)燃燒設(shè)備為恒溫管式爐，如圖1所示.該燃燒系統(tǒng)由一個(gè)耐高溫的剛玉棒、溫度控制器、熱電偶和保溫材料等構(gòu)成.管式爐直徑為50 mm，長(zhǎng)度為1.2 m.混合氣體的總體積流量為2.33 L/min，前期的實(shí)驗(yàn)證明[11-12]該管式爐在該氣體體積流量下可以消除外擴(kuò)散的影響，保持溫度和體積流量穩(wěn)定30 min.每次稱取(0.20±0.01) g平鋪在剛玉舟內(nèi)，迅速送入管式爐中進(jìn)行燃燒并開始計(jì)時(shí)，一定時(shí)間后，將樣品取出，快速轉(zhuǎn)移到通入N2的通道中冷卻后進(jìn)行稱量，得到該時(shí)間的灰煤質(zhì)量比.每個(gè)時(shí)間點(diǎn)都重復(fù)3次以上，這不僅能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，還能降低實(shí)驗(yàn)過程中各種因素如受熱不均勻、煤樣平鋪不均勻和氣流不均勻等帶來的實(shí)驗(yàn)誤差.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.3 樣品消解及分析

準(zhǔn)確稱量樣品0.1 g(精確到0.000 1 g)放入聚四氟乙烯罐中，加入4.0 mL HNO3、1.0 mL H2O2和1.0 mL HF.在常溫下預(yù)消解12 h，將消解罐放入不銹鋼外套中，放置在烘箱中，調(diào)節(jié)溫度為160 ℃，消解8 h.消解結(jié)束后冷卻至室溫，用去離子水將消解后的樣品轉(zhuǎn)移到50 mL的離心試管中，加入一定量HCl使其體積分?jǐn)?shù)為10%.為保證實(shí)驗(yàn)的精確性，對(duì)消解樣品進(jìn)行平行實(shí)驗(yàn)，且試劑采用優(yōu)級(jí)純.

樣品中的砷含量采用北京吉天儀器有限公司的AFS-8220原子熒光光譜儀.在測(cè)量前進(jìn)行標(biāo)液和載液的制備，然后對(duì)標(biāo)液進(jìn)行測(cè)量，每次線性度達(dá)到0.999 5以上就認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性關(guān)系良好，可以對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量.為了減少測(cè)量過程中實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)導(dǎo)致的誤差，每個(gè)樣品都重復(fù)測(cè)量3次，偏差在±10%以內(nèi)認(rèn)為測(cè)量數(shù)據(jù)有效，取3次的平均數(shù)作為最后的結(jié)果.每隔5個(gè)樣品測(cè)試一個(gè)已知體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)液，若測(cè)量體積分?jǐn)?shù)偏差在±10%，則認(rèn)為測(cè)量運(yùn)行穩(wěn)定.

2 燃煤過程中砷揮發(fā)規(guī)律

燃燒前煤中砷的含量用mo表示，燃燒i分鐘后灰渣中的砷含量用mi表示，第i分鐘的成灰比例為ηi.為了統(tǒng)一基準(zhǔn)量，將灰渣中的砷含量轉(zhuǎn)化到原煤的基準(zhǔn)上進(jìn)行計(jì)算.則可以得到煤燃燒過程中砷的剩余比例ωi的表達(dá)式如下：

(1)

砷的揮發(fā)比例Xi表示燃燒第i分鐘，煤中砷的揮發(fā)比例，即

(2)

2.1 煤種的影響

在1 000 ℃下，研究7種煤中砷的揮發(fā)比例隨時(shí)間的變化.將7種煤大致分為2大類：第1類，五里莊、弘建紅巖、紅巖及梅花井；第2類，潞安、三元中能及石炭.第1類主要研究煤質(zhì)中揮發(fā)分的影響，第2類主要研究煤質(zhì)中灰分的影響.

2.1.1 揮發(fā)分的影響

圖2給出了揮發(fā)分對(duì)砷揮發(fā)的影響.由圖2(a)可知，燃燒2 min時(shí)，高揮發(fā)分的弘建紅巖、紅巖和梅花井3種煤砷的揮發(fā)比例均高于0.6，而揮發(fā)分低的五里莊煤砷的揮發(fā)比例不到0.3，這說明在燃燒前期高揮發(fā)分的煤砷的揮發(fā)速率明顯高于較低揮發(fā)分的煤.這與韓軍等[13]的結(jié)論一致，認(rèn)為煤中揮發(fā)分的揮發(fā)使得煤焦孔隙增大，加速了砷在孔隙中的擴(kuò)散，砷的揮發(fā)速率變大.同時(shí)，揮發(fā)分低的煤種含砷的有機(jī)物少，導(dǎo)致砷的揮發(fā)速率較小.1 000 ℃時(shí)，砷的最終揮發(fā)比例主要取決于煤中有機(jī)態(tài)砷和硫化態(tài)砷的氧化分解，以及穩(wěn)定性不高的砷酸鹽的分解.從圖2(b)可以看出，隨著揮發(fā)分的增加，最終砷的揮發(fā)比例呈先增大后減小的趨勢(shì).由于揮發(fā)分的增加，使得煤中有機(jī)態(tài)砷的比例增大，最終砷的揮發(fā)比例有所增大，但揮發(fā)分最高的梅花井煤砷的最終揮發(fā)比例有所減小，這可能是由于煤中易于揮發(fā)的有機(jī)態(tài)砷和硫化態(tài)砷總比例不高導(dǎo)致的.

圖3為4種煤的失重比例隨時(shí)間的變化.對(duì)比圖3和圖2(a)可以看出，燃燒過程中，煤的失重比例和煤中砷的揮發(fā)比例有一定相似性.圖3中，燃燒2 min時(shí)，揮發(fā)分高的3種煤(弘建紅巖、紅巖和梅花井)失重比例大于0.6，而揮發(fā)分低的五里莊煤失重比例不到0.3，說明燃燒前期高揮發(fā)分煤種失重速率明顯高于低揮發(fā)分煤種，與圖2(a)中結(jié)論一致；圖3中高揮發(fā)分的3種煤在3 min時(shí)，五里莊煤在4 min時(shí)，煤的失重比例接近穩(wěn)定，圖2(a)中高揮發(fā)分的3種煤在3 min時(shí)，五里莊煤在4 min時(shí)，煤中砷的揮發(fā)比例接近穩(wěn)定.雖然揮發(fā)分最高的梅花井煤在燃燒前期失重速率最高，但圖2(a)中其砷的揮發(fā)速率沒有弘建紅巖煤和紅巖煤高，這可能是因?yàn)樵诿褐袚]發(fā)分及固定碳燃燒過程中，梅花井煤中的砷不易揮發(fā)，這也是其最終揮發(fā)比例較低的原因.

(a)

(b)

圖3 4種煤的燃燒曲線

2.1.2 灰分的影響

圖4給出了灰分對(duì)砷揮發(fā)的影響.由圖4(a)可知，在燃燒前期，低揮發(fā)分的潞安煤、三元中能煤和石炭煤砷的揮發(fā)速率明顯低于圖2(a)中高揮發(fā)分的弘建紅巖煤、紅巖煤和梅花井煤.由圖4(b)可知，到燃燒結(jié)束，灰分最少的潞安煤中砷的揮發(fā)比例最高，而灰分最高的石炭煤中砷的揮發(fā)比例最小，表明砷的賦存形態(tài)與礦物質(zhì)有很大關(guān)系.煤中灰分含量越高，說明煤質(zhì)中的礦物質(zhì)含量比較豐富，而礦物質(zhì)中所賦存的砷往往在溫度特別高的情況下才開始分解揮發(fā)出來，導(dǎo)致燃燒中砷的最終揮發(fā)比例較小，這也說明煤燃燒砷的揮發(fā)比例與煤質(zhì)中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)性.

(a)

(b)

圖5給出了潞安煤、三元中能煤和石炭煤的失重比例隨時(shí)間的變化.對(duì)比圖5和圖4(a)可知，在燃燒過程中，這3種煤的失重比例與其砷的揮發(fā)比例也有一定相似性.圖5中，燃燒6 min時(shí)，3種煤的失重比例趨于穩(wěn)定，而圖4(a)中燃燒6 min時(shí)，這3種煤砷的揮發(fā)比例也趨于穩(wěn)定.

圖5 3種煤的燃燒曲線

綜上所述，從圖2(a)和圖4(a)可以看出，煤燃燒過程中，隨著時(shí)間的增加，剛開始煤中的砷快速揮發(fā)，然后慢慢達(dá)到穩(wěn)定，前期是砷揮發(fā)的主要階段.砷的揮發(fā)速率與煤的失重速率有相同的趨勢(shì).

2.2 溫度的影響

不同溫度下燃燒10 min后，所研究的7種煤中砷的揮發(fā)比例見圖6.從圖6可以看出，煤中砷的揮發(fā)比例均隨著溫度的升高而增大，但不同的溫度范圍對(duì)砷的揮發(fā)影響不同.700 ℃之前，燃燒溫度對(duì)砷揮發(fā)的影響不大，在該燃燒溫度范圍內(nèi)，砷的揮發(fā)主要是由煤中含砷的有機(jī)物燃燒所釋放.一般來說，煤中有機(jī)物的含砷量占總砷量的0～30%[14].在700～1 000 ℃，煤中砷的揮發(fā)比例明顯增大，此時(shí)主要是由熱穩(wěn)定性不高的砷酸鹽等發(fā)生了劇烈的分解及硫化態(tài)砷發(fā)生氧化分解導(dǎo)致砷的揮發(fā).在1 000～1 200 ℃內(nèi)，溫度對(duì)砷揮發(fā)的影響開始減弱，這主要是因?yàn)樵摐囟葏^(qū)間內(nèi)難以將砷的礦物質(zhì)分解.而溫度高于1 200 ℃時(shí)，砷的揮發(fā)比例又開始有明顯的增大，這主要是因?yàn)楫?dāng)溫度逐漸升高，達(dá)到了殘?jiān)鼞B(tài)砷的分解溫度，導(dǎo)致熱穩(wěn)定性高的礦物質(zhì)分解，釋放砷的氧化物.

(a)

(b)

2.3 水分的影響

為了研究水分對(duì)砷揮發(fā)的影響，選擇石炭煤在1 300 ℃溫度下，φ(O2)為21%、φ(H2O)分別為0、10%、20%和30%，N2為平衡氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7.

圖7 1 300 ℃水蒸氣對(duì)石炭煤砷揮發(fā)的影響

從圖7可以看出，在開始階段，與無水蒸氣相比，φ(H2O)為10%時(shí)砷的揮發(fā)比例和揮發(fā)速率都有明顯的提高，但隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加，砷的揮發(fā)速率和揮發(fā)比例的增加趨勢(shì)開始變緩.當(dāng)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)從0增加到30%時(shí)，煤中砷的最終揮發(fā)比例都有所上升，砷的揮發(fā)速率也有所提高.這可能是由于煤在燃燒過程中，水蒸氣氣氛下對(duì)燃燒速率有影響，進(jìn)而影響了砷的揮發(fā)速率.當(dāng)水蒸氣存在時(shí)，水會(huì)與煤焦發(fā)生氣化反應(yīng)，一方面改變了焦炭顆粒的孔隙度[15]，增大了砷在孔隙中的擴(kuò)散速度，提高砷的最終揮發(fā)比例，另一方面水蒸氣與焦炭在高溫下發(fā)生了氣化反應(yīng)，生成較多的H2和CO，導(dǎo)致燃燒氣氛為還原性氣氛，使得焦炭中的熔融礦物質(zhì)發(fā)生了變化[16]，主要是較穩(wěn)定的砷酸鈣Ca3(AsO4)2在還原性氣氛下生成Ca(AsO2)2，如式(3)所示，而Ca(AsO2)2沒有Ca3(AsO4)2穩(wěn)定性高，從而導(dǎo)致砷的最終揮發(fā)比例有所提高.隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加，砷的揮發(fā)速率和揮發(fā)比例變化不大，這主要是因?yàn)樗魵怏w積分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，對(duì)已有的還原性氣氛改變不大.

(3)

通過HSC chemistry 6.0 模擬了氧化性氣氛和還原性氣氛下Ca3(AsO4)2的形態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)律(見圖8).模擬溫度為0～2 000 ℃，其中氧化性氣氛下n(O2)/n(C)=1.2，還原性氣氛下n(O2)/n(C)=0.8.模擬輸入?yún)?shù)是以1 kg石炭煤作為例子，輸入?yún)?shù)見表2.

從圖8可以看出，氧化性氣氛下Ca3(AsO4)2在高于1 500 ℃時(shí)才開始分解，是特別穩(wěn)定的砷酸鹽，而在還原性氣氛下，在低溫下(<500 ℃)，Ca3(AsO4)2已經(jīng)完全被還原成Ca(AsO2)2，而Ca(AsO2)2不是很穩(wěn)定的砷酸鹽，在1 000 ℃就開始分解.模擬結(jié)果與前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較吻合.

(a) 氧化性氣氛

(b) 還原性氣氛

mol

3 燃煤過程中砷揮發(fā)的動(dòng)力學(xué)特性

為了確定砷揮發(fā)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，需進(jìn)行一定的假設(shè)，由于砷的揮發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)過程，如果建立每個(gè)基元反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程式是十分困難的.García-labiano等[17]針對(duì)硫的析出建立了一級(jí)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，由于砷元素和硫元素在釋放過程中相似[18]，可認(rèn)為砷的揮發(fā)為一級(jí)反應(yīng)；韓軍等[13]在研究痕量元素?fù)]發(fā)動(dòng)力學(xué)時(shí)，得出砷的揮發(fā)可以認(rèn)為是一級(jí)反應(yīng)的結(jié)論.因此，假設(shè)砷的揮發(fā)為一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程是一階的.砷的揮發(fā)速率可表示如下：

d(w0-wi)/dt=kwi

(4)

式中：w0為反應(yīng)初始時(shí)刻煤中砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；wi為i時(shí)刻煤中砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；k為反應(yīng)速率常數(shù)，kg/(m2·s·Pa)；t為反應(yīng)時(shí)間，s.

根據(jù)阿倫尼烏斯法則可以得到化學(xué)反應(yīng)速率與燃料活性及溫度的關(guān)系：

(5)

式中：ko為頻率因子，kg/(m2·s·Pa)；E為表觀活化能，kJ/mol；R為通用氣體常數(shù)，kJ/(mol·K)；T為反應(yīng)溫度，K.

再對(duì)式(5)的兩邊取自然對(duì)數(shù)得出：

lnk=lnko-E/RT

(6)

用lnk對(duì)1/T作圖，通過得到的直線可以求出砷揮發(fā)的反應(yīng)頻率因子ko和表觀活化能E.

在600 ℃、800 ℃、1 000 ℃和1 200 ℃4個(gè)溫度下求解以上7種煤的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，結(jié)果見表3.從表3可以看出，第1類煤種揮發(fā)分的變化導(dǎo)致砷揮發(fā)的表觀活化能變化較明顯.由于煤質(zhì)不同，其砷的賦存形態(tài)也有所區(qū)別，當(dāng)煤質(zhì)中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差不大、揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化時(shí)，有機(jī)態(tài)砷含量差別較大，而有機(jī)態(tài)砷比較容易揮發(fā)出來，砷的揮發(fā)速率就越高，對(duì)應(yīng)的表觀活化能差別也較大；當(dāng)煤質(zhì)中揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差不大、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化時(shí)，煤中有機(jī)態(tài)砷含量普遍偏小，砷主要分布在黏土和礦物質(zhì)中，燃燒過程中礦物質(zhì)中的砷難以揮發(fā)，導(dǎo)致砷的揮發(fā)速率相近，對(duì)應(yīng)的表觀表觀活化能也相差不大.這說明揮發(fā)分對(duì)砷揮發(fā)活化能的影響大于灰分.

表3 7種煤砷揮發(fā)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

4 結(jié) 論

(1) 煤種對(duì)砷揮發(fā)有一定的影響，當(dāng)灰分含量差別不大時(shí)，揮發(fā)分高的煤種，砷的揮發(fā)速率普遍較高；而當(dāng)揮發(fā)分含量相差不大時(shí)，砷的揮發(fā)比例與煤中灰分比例有一定的負(fù)相關(guān)性.

(2) 溫度對(duì)砷揮發(fā)的影響比較明顯,低溫下(<700 ℃)，溫度對(duì)砷揮發(fā)的影響不大；700～1 000 ℃是砷揮發(fā)的主要溫度區(qū)段，砷的揮發(fā)主要是由于砷的硫化物氧化和熱穩(wěn)定性不高的砷酸鹽分解導(dǎo)致的；在1 000～1 300 ℃內(nèi)，砷的揮發(fā)主要是由于較高熱穩(wěn)定性的砷酸鹽分解導(dǎo)致的.

(3) 水分對(duì)砷的揮發(fā)比例和揮發(fā)速率都有一定影響.水分會(huì)與焦炭發(fā)生氣化反應(yīng)，導(dǎo)致焦炭孔隙結(jié)構(gòu)變化，形成還原性氣氛，促進(jìn)了砷的釋放，進(jìn)而影響砷的揮發(fā)速率和揮發(fā)比例.

(4) 當(dāng)灰分一定時(shí)，揮發(fā)分的變化對(duì)砷揮發(fā)的表觀活化能影響較大，而當(dāng)揮發(fā)分一定時(shí)，灰分的變化對(duì)砷揮發(fā)的表觀活化能影響不大.

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Volatilization and Kinetic Characteristics of Arsenic During Coal Combustion

ZOUChan,WANGChunbo,WANGHefei,GUOYongcheng,LIXinhao

(School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, Hebei Province, China)

To study the effect of different factors on arsenic volatilization, combustion experiments of seven typical coals were conducted in the temperature range of 600-1 300 ℃, while an analysis was carried out on the dynamic characteristics of arsenic during coal combustion. Results show that when the ash contents are not very different, the ratio of arsenic evaporation is greater than 0.6 for high volatile coal, and is less than 0.3 for low volatile coal at two minutes; when the volatile contents are similar, the ratio of arsenic evaporation is negatively correlated with the ash content in coal; temperature greatly affects the arsenic evaporation, and the main evaporation temperature lies in the range of 700-1 000 ℃; when the volume fraction of water vapor gets up to 10%, it would obviously affect the volatilization ratio and speed of arsenic, however, when the volume fraction goes up continuously, the effect would be gradually weakened; the impact of volatile is greater than ash on the activation energy of arsenic volatilization.

coal combustion; arsenic; volatilization; kinetics

2016-04-26

2016-08-07

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“煤炭清潔高效利用和新型節(jié)能技術(shù)”資助項(xiàng)目(2016YFB0600701)

鄒 潺(1992-)，男，湖北荊州人，博士研究生，研究方向?yàn)槊旱臐崈羧紵?電話(Tel.)：15100208553； E-mail:hbdlzch@163.com.

1674-7607(2017)05-0349-07

X773

A 學(xué)科分類號(hào)：610.30