固定床煤热解有机气体析出规律的GCMS分析_图文

1、第卷第期年月弘砣尉拍数求固定床煤热解有机气体析出规律的分析王清成；罗永浩（上海应用技术学院，上海；上海交通大学机械与动力工程学院，上海）摘要：为了研究层燃炉块煤热解时有机气体的析出规律，在自行设计的可移动式一周定床上对神木煤进行了热解实验，煤颗粒尺寸为；热解气在炉膛内的停留时为，热解温度分别为）、）和）；采用气相色谱质谱联用仪（）测试分析了热解气中有机气体的析出规律；离线测试热解气体试样。研究结果显示：随着热解温度的升高，热解气中饱和脂肪烃含量降低，其中一甲基戊烷和，三甲基烷降低幅度分别为和；芳香烃含量升高，其中甲苯浓度增加了倍。随着热鳃温度的升高，热解气组分中，碳含量增大，氢含量减小；热解气

2、中的部分饱和脂肪烃经历浓缩、环化和析氢过程形成芳香烃。关键词：煤；热解；有机气体；中图分类号：；“文献标志码：文章编号：（）枷，（，；，）：，：；煤热解排放的有机气体和碳黑对环境污染和人类健康的影响越来越受到广泛关注；有机气体包括脂肪烃和芳香烃成分，聚合会形成碳黑；碳黑包括很多种痕量元素（如砷、硒、铅、铬），与人类的急性和慢性疾病有很大关系，甚至有致癌作用【。以矶为代表的学者对煤粉热解形成碳黑的规律进行了研究；其组分和形成过程十分复杂，目前很难对其进行全面描述；煤挥发分中包含分子量较大的有机成分，热解时首先形成多环芳香烃，进一步脱氢形成碳黑；热解气的有机成分对碳黑的形成有很大影响。我国是以燃煤

3、为主的国家，共有多万台工业锅炉，并且以层燃方式为主；炉膛内局部缺氧情况时有发生，会经历挥发分热解反应过程。在层燃炉中煤热解时有机气体排放规律的研究却鲜有报道；研究层燃炉中煤热解有机气体排放的规律，对于降低污染物排放、提高燃烧效率有重要意义。气相色谱质谱联用仪（）以其在样品成分分离及分析方面的优势被越来越多的学者接受并采用。本文在固定床上对块煤进行热解研究，热解气中的有机成分通过气相色谱质谱仪分析，研究温度对热解气析出规律的影响，为全面分析碳黑生成机理奠定了理论基础。收稿日期：；修回一基金项目：层燃炉煤燃烧生成与排放控制方法的研究（？）作者简介：王清成（一），男，讲师，博士，主要从事热解、燃烧机

4、理、污染物排放规律和光谱仪器分析的研究，（电话）（电子信箱）。“诧尉粕数求第卷实验及测试方法实验介绍实验所用的煤为广泛应用于工业锅炉的神木煤，其工业分析和元素分析如表所示。为了研究块煤在层燃炉中热解、有机气体析出和碳黑的生成规律，作者设计了可移动式一固定床块煤热解实验系统（图）。小型固定床中的全部燃料相当于链条炉排上的局部单元体燃料，可看作厚度方向的一维系统，水平方向截面上的各参数是均匀的。整个实验装置分为电加热反应系统，可升降给煤系统和有机气体及碳黑收集系统三大部分。电加热反应区是实验装置的核心部位，中间是内径和长度分别为和的圆柱状石英管；石英管外部垂直布置碳硅棒，温度变化范围为搴温到。；石

5、英管下部连接进气装置，上部连接有机气体和碳黑收集系统。固定床是直径和厚度分别为和且边缘处有凸台的圆盘状耐火材料，在固定床底面上布满直径为的圆孑，氩气从，中通过；固定床连接在可升降的装置上，升降装置与炉体底部连接，密封较好。从石英管炉中流出的热解气体，进入内径为的不锈钢管中，不锈钢管设置水冷装置；控制合适的冷却水量，使得滤膜处的气体温度“；在钢管的法兰连接处设置玻璃纤维（）或聚碳酸脂滤膜（孔径）收集碳黑气溶胶；在不锈钢管尾部设置气体取样装置、真空泵和控制压力的阀门。在正式实验之前，进行固定床温度预备实验，根据预备实验的结果，结合不同位置的温度偏差，设定实验温度；结合碳黑的形核温度和层燃炉的炉膛温

6、度，本实验设定的炉膛温度分别为，和，因为层燃炉的实际燃烧温度在之间；气体停留时间为。表煤的元素分析和工业分析图块煤热解实验装置图实验方法把煤筛分成外形尺寸为的颗粒；进行每一次实验时，根据实验要求将炉温升高到预定温度；在固定床（炉外）上放置煤，煤层厚度为；把固定床通过炉底升降装置送入炉内预定位置；连接升降装置与炉子底座，完成密封；之后，氩气通人炉内，使用玻璃转子流量计调节流量；煤的挥发分析出，在炉膛内热解；同时，真空泵打开，调节阀门，维持炉内微正压，随后采用注射器进行热解气取样，并采用测试分析有机气体成分和含量；约后，反应完毕。取滤膜并刮下碳黑气溶胶，进行分离、测试和分析。测试方法及联用条件从热

7、解气取样装置收集到的气体通过离线测试；本实验采用气相色谱质谱分析仪的型号为。色谱条件：色谱柱为毛细管柱，。；进样口温度为。（；起始温度为；升温速率为；终止温度；保留时间为；分流比：；进样量山；载气为高纯氦气（）；流速为。质谱条件：电离方式是离子源；电离能量：；一一一一第期王清成，等固定床煤热解有机气体析出规律的分析离子源温度：。；四极杆温度：（）；传输线温度：；倍增管电压：；扫描质量范围：。实验结果及讨论图是气体成分的（）图。在三种热解温度下的样品，在保留时间分别为时，有十几个峰出现；经联用仪表准质谱数据库的计算机检索，鉴定出十几种化合物；在热解温度为时的样品在保留时间为时出现个小峰。经面积归

8、一化法确定了这些化合物的相对百分含量；相关的化合物和相对浓度如表所示。图随着温度变化排卅气体的离子总毓图表随着温度变化排出气体的相对浓度表哆？）鼍（）、。硼（吵如伦勰腓黜协“罱。舢锄，（珥），一，一，一，埘，一（）山，一，一，一一，【，一，（）一一一一！丝：竺！：！：竺堡！塑！：！竺！坐二！：竺！鲨兰一兰竺兰竺坐塑坐坐！：一主要组分包括一甲基戊烷、，一二氯乙烷、一甲二氯乙烷是主要成分。此外，在温度为时，热解基戊烷、苯、环己胺、，一三甲基丁烷、，一基的前期阶段，气体中还有一些小分子物质，这是从煤的（正）己烷、一甲基（正）己烷、庚烷和甲苯。其中，萃、甲挥发分或者聚合物的部分裂解出来的。随着热解温度

9、苯、，一二甲基（正）己烷、一甲基（正）己烷、庚烷和，的升高，一甲基戊烷和，一三甲基丁烷等饱和脂肪摹百加如加加擞，坨”懒。，呓阽扛强暑冼尉铂数求第卷烃含量降低，降低幅度分别为和；苯和甲苯等芳香烃含量增加，尤其是甲苯浓度增加了倍。在温度较高时，有乙烯、乙炔等小分子析出。时，中碳的比例最大，时次之，但两者比较接近，在时，中碳的比例最小；表现为在和时，有更多的芳香烃析出；原因是高温聚合、环化后，挥发分中有很少的脂肪结构，芳香结构的链中最薄弱的部分断裂，逸出气体，形成高含碳量的气体成分。高温有利于有机气体的聚合、析氢反应，形成含碳量高的有机化合物。部分饱和脂肪烃经历了浓缩和环化反应转化成芳香烃。在层燃炉

10、煤燃烧时，合理组织燃烧，减小（尤其是高温区域）煤热解几率，控制有机气体的吸出，减少大气污染物的形成。结论在自行设计的可移动式一固定床上进行了块煤热解实验，研究层燃炉中煤热解的有机气体排放规律；采用对热解气中有机气体进行了分析测试；炉膛温度为，和；热解气在炉膛内的停留时间为。通过测试分析得出以下结论：随着炉膛温度的升高，热解气中饱和脂肪烃含量降低，其中一甲基戊烷和，一三甲基丁烷降低幅度分别为和；芳香烃含量升高，其中甲苯浓度增加了倍。在炉膛温度较高时，热解气体组分中碳的含量较高，氢含量较低。随炉膛温度的升高，热解气中的部分饱和脂肪烃转化为芳香烃。【参考文献】【】，：【】伍德侠魏庆农，刘文清，等年夏

11、季北京大气中碳黑气溶胶的观测研究【】大气与环境光学学报，（）：一，（）：（）【】周怀春，江波，卢晶，等多波长光谱法检测乙烯火焰中温度和碳黑生成【】华中科技大学学报（自然科学版），（）：，栅（），（）：（）【】杜长明，严建华，李晓东，等利用滑动弧放电脱除烟气中多环芳烃和碳黑颗粒【】中国电机工程学报，（）：，（）：（）【】刘娟，伏晴艳，李锦菊，等美国环境有毒空气污染物控制技术简析【】环境科学与技术，（）：，们，（）：（）【】王筠，汤洁，孙佰仲，等保护环境降低污染实施绿色技术应用一煤无烟燃烧锅炉消除碳黑技术叨自然灾害学报，（）：，肛：】，（）：一（）【】，：】胡永华，李疏芬一氢七氟丙烷在不同温度下的

12、热分解叨光谱学与光谱分析，（）：，【】，（）：（）【】陈军，姚成，夏黎明，等猫爪草中的脂肪酸及有机酸的分析【】光谱学与光谱分析，（）：，阴，（）：（） 固定床煤热解有机气体析出规律的GC-MS分析作者：王清成， 罗永浩， WANG Qing-cheng， LUO Yong-hao作者单位：王清成,WANG Qing-cheng(上海应用技术学院,上海,200235， 罗永浩,LUO Yong-hao(上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200240刊名：环境科学与技术 英文刊名：ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY年，卷(期：2009，32(11被引用

13、次数：0次参考文献(9条1. He Bai-lei. Song Qiang. Chen Chang-he Investigations on mechanism of soot formation duringcombustion and control of soot emission 20032. 伍德侠. 魏庆农. 刘文清 2005年夏季北京大气中碳黑气溶胶的观测研究期刊论文-大气与环境光学学报2006(033. 周怀春. 江波. 卢晶 多波长光谱法检测乙烯火焰中温度和碳黑生成期刊论文-华中科技大学学报(自然科学版2007(124. 杜长明. 严建华. 李晓东 利用滑动弧放电脱除烟气中多

14、环芳烃和碳黑颗粒期刊论文-中国电机工程学报2006(015. 刘娟. 伏晴艳. 李锦菊 美国环境有毒空气污染物控制技术简析 2008(6A6. 王筠. 汤洁. 孙佰仲 保护环境降低污染实施绿色技术应用-煤无烟燃烧锅炉消除碳黑技术期刊论文-自然灾害学报 2006(047. Fletcher T H. Ma J L. Rigby J R Soot in coal combustion systems 19978. 胡永华. 李疏芬 2-氢七氟丙烷在不同温度下的热分解期刊论文-光谱学与光谱分析 2007(129. 陈军. 姚成. 夏黎明 猫爪草中的脂肪酸及有机酸的GC-MS分析期刊论文-光谱学与光谱

15、分析 2006(08相似文献(10条1.期刊论文 王峥. 范浩杰. 龚希武. 黄浩. 胡国新. WANG Zheng. FAN Hao-jie. GONG Xi-wu. HUANG Hao. HU Guo-xin 旋转锥式热解炉内煤颗粒混合热解的实验研究 -动力工程2007,27(2设计出一种旋转锥式煤热解炉,对炉内煤颗粒热解过程进行实验研究,测定了煤颗粒平均粒径、热解温度、旋转锥旋转速率及煤热解失重的关系.实验结果表明,随着煤颗粒平均粒径的增加、热解温度的降低和旋转锥旋转速率的减小,热解失重呈现出明显的下降趋势;此外,在煤颗粒中加入载热体,可促进煤颗粒热交换过程的传热效果,而且随着载热体混合

16、量的增加使煤热解失重呈现增加趋势.研究结果有助于深入理解煤热解机理,为新型旋转锥式热解炉的深入研究和推广应用提供参考.2.期刊论文 刘全润. 胡浩权. LIU Quan-run. HU Hao-quan 大同煤热解和加氢热解过程中产物生成规律的研究 -河南化工2009,26(12在压力2 MPa,温度350650 范围内,对比研究了大同煤分别在氮气和氢气气氛下热解过程中产物的分布和气体生成规律.研究表明,煤的热解和加氢热解转化率和水产率都随温度上升而增加;在热解条件下,焦油产率在500 出现最大值.氢气对煤热解转化只有超过一定温度才具有促进作用,此时与热解相比具有较高的CO、CH4和C+2产率

17、以及较低的CO2产率.3.学位论文 刘全润 煤的热解转化和脱硫研究 2005燃煤排放的SO2是引起大气污染的重要原因，因此煤中硫的脱除是洁净煤研究的重要课题。该论文以提高煤热解脱硫率和焦油产率为目标，主要研究了热解和加氢热解过程中硫的变迁规律和矿物质对热解脱硫的影响，归纳了影响煤热解脱硫效率的几个主要问题。针对这些问题，探讨了三种新的热解脱硫过程。研究内容和研究结果：1.以神府煤和霍林格勒煤为例，在热重分析仪上考察了煤中矿物质以及三种外加矿物质Al2O3、CaO和K2CO3对煤热解反应性和动力学的影响。试验结果表明：煤的内在矿物质对煤的热解转化影响不大；对于高灰煤，由于煤中矿物质本身的热分解，原煤的热解转化率比脱灰煤略高。所研究的三种外加矿物质对煤热解转化有催化作用，催化特性与矿物质种类和煤本身性质有关。外加矿物质可改变煤热解的特征温度并降低煤热解的活化能。2.在加压固定床上研究了矿物质对义马煤热解和加氢热解产物分布规律以及不同形态硫转化的影响。研究发现，在氮气气氛下热解，煤中的矿物质对煤本身的大分子碳骨架裂解没有影响，不能改变煤的热解转化率，但可催化初级挥发分为气态