煤田火区氧化煤分阶催化气化及作用机理
戚绪尧
陈良舟
王涛
张亚博
中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室,江苏徐州 221116;中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116
摘要：煤田火区热量较大,火区高温会对周围煤体造成影响,在火区受到有效控制或蔓延至其他区域后,往往在火区边缘或邻近煤层形成数量较大的氧化煤.与原始煤炭相比,氧化煤热值低、灰分高,难以作为常规燃煤利用,目前多与优质煤混合利用,导致混煤整体燃烧热值降低且炉渣量增加,严重影响电厂锅炉运行效率.为了更好地利用氧化煤,实现资源利用最大化,提出了氧化煤的分阶催化气化思路,并提出使用价格低廉的膨润土作为高温阶段的催化芯材,通过分阶式催化剂分别实现氧化煤气化过程的初期快速活化和后期催化气化,从而实现氧化煤高效气化利用.采用X射线衍射、扫描电子显微镜和孔隙分析表征氧化煤催化气化过程中关键结构演变特征,并利用热重质谱联用开展气化实验,通过特征参数分析气化前期和后期反应特点.结果表明:分阶式催化剂由外层K2C03和内层膨润土构成,其表层K2 CO3能明显促进氧化煤初期热解过程中孔隙结构的形成,在气化初期产生大量微孔结构,增加氧化煤与气化剂C02的接触面积,提高氧化煤反应活性;含Na+阳离子的膨润土可以在高温阶段发挥稳定催化作用,弥补了 K2CO3在高温阶段易挥发和失活的缺陷.在分阶式催化剂作用下,碳晶格单元的生长速度减小.这表明分阶式催化剂可以插入碳芳环的边缘,导致内部晶格出现缺陷,从而有效抑制氧化煤焦的石墨化进程,保证连续催化气化反应.当K2CO3和钠基膨润土的质量比达到1 ∶1,整体催化气化效果最佳.分阶式催化剂在热解阶段也起到一定的催化作用,能促进氧化煤热解脱挥发分释放出氢气.在气化反应阶段,分阶式催化剂能有效降低氧化煤气化反应温度以及合成气产率峰值温度,提高气化反应速率.CO和H2体积分数峰值对应温度的降低幅度分别达到97.4、129.1℃,具有明显的催化效果.氧化煤的分阶式催化气化高效制取合成气为火区氧化煤高效利用提供了新思路,可避免大量火区滞留煤炭资源的浪费.
关键词：煤田火区氧化煤分阶催化气化钠基膨润土作用机理
分类号：TD753(矿山安全与劳动保护)
资助基金：国家自然科学基金(52174219)国家自然科学基金(51774275)国家自然科学基金(U1810106)
论文发表日期：2023-02-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：12( 806-817 )
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