CeO2对低阶煤热解产物分布的影响研究
王东方1，荣令坤1，赵利胜1，2，张金山1
（1.内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古包头014010；2. 神华巴彦淖尔能源有限责任
公司，内蒙古巴彦淖尔015000）
摘要: 用管式炉研究了稀土氧化物CeO2与低阶煤机械混匀后的热解产物分布,考察了在低温热解条件下CeO2对低阶煤热解产物分布的影响。结果表明:同一升温速率,不同终温下, CeO2对热解产物焦油产率有催化作用;对于热解产物半焦及煤气无催化作用,热解终温是影响其产率分布的主要因素,但稀土CeO2能使半焦形成更多的孔隙,使热解煤气提前释放出来。
关键词: 稀土；热解；低阶煤；产物
前言
热解是煤炭热加工必然要经历的过程和基础,无论是燃烧、气化、液化、干馏,都是这些过程的初始和伴随反应,因此对煤炭热解的研究有着十分重要的意义。煤炭热解产物的分布是煤热解最主要的研究内容之一[1]。稀土元素为元素周期表中第Ⅲ副族中的钪、钇和镧系元素的总称, 其电子结构的特点是最外层为4f1+n5d0～16s2。正常状态下大多数稀土元素的5d轨道是空的,空轨道可用作“催化作用”的电子转移站,因此稀土元素及其氧化物具有较高的催化活性。稀土催化剂是一种稳定性好、选择性高、加工周期短的活泼催化剂[2]。我国稀土资源丰富,包头作为“稀土之都”拥有丰富的稀土资源,利用稀土作为催化剂对煤炭进行催化热解,能为拓宽稀土应用领域创造良好条件[3]。
本文主要通过管式炉热解实验,考察不同终温下, CeO2对低阶煤热解产物的分布影响。
1试验部分
1.1试验原料
试验煤样为内蒙古鄂尔多斯低阶煤,空干基煤样采用颚式破碎机及方孔筛筛分至粒度小于0.2mm,为避免煤中无机矿物灰分对煤炭热解的影响,参考文献[8]方法进行酸洗去灰分:将-0.2mm煤样20g加入120mlHCL溶液(6mol/L)在70℃水浴下搅拌反应24小时,然后过滤,滤饼干燥后加入150mlHF溶液(40wt%),在70℃水浴下搅拌24小时,再经过滤,用蒸馏水多次洗涤滤饼,直至滤液中不再含有Cl-为止,最后将滤饼干燥装袋备用。
1.2试验方法
采用机械混合的方法将CeO2与酸洗去灰煤样在研钵中混合均匀,CeO2负载量为10wt%,去灰煤样直接进行管式炉热解。
上述两种煤样的热解试验均在管式炉隔绝空气下加热,热解温度以20℃/min升温速率升温至设定终温,热解终温分别为400℃,450℃,500℃,550℃,600℃,在此终温下保温两个小时,热解焦油由锥形瓶收集,湿式气体流量计记录气体流量。
2试验结果和讨论
2.1稀土CeO2对热解焦油分布的影响
锥形瓶收集所得焦油含有热解水,经蒸馏分离得到热解产物焦油产率。
图1热解焦油产物分布结果
由图1可知:在450℃-600℃,添加CeO2的去灰煤样热解焦油产率均比非催化去灰煤样要高,在450℃产率最高,500℃及550℃有所下降。这是因为CeO2促进了热解挥发分向焦油的转化,随着热解终温的升高,焦油本身也会发生一定的裂解,同时,热解终温促进了CeO2的催化作用,所以热解焦油产率在500℃下降之后又有所升高,这是CeO2催化和焦油本身热分解共同作用下的结果。在400℃时,CeO2还没有达到催化所需要的温度,此时催化条件下的焦油产率略低。
2.2稀土CeO2对热解半焦分布的影响
热解产物半焦中留有10%wt的CeO2,通过计算将CeO2的百分含量除去,所得产率为实际半焦产率。
图2热解半焦产物分布结果
由图2可知:随着热解终温的升高,稀土CeO2催化条件下与非催化条件下总体趋势一致,都是随着温度的升高半焦产率降低,这说明热解终温是影响热解产物半焦产率的主要因素,稀土CeO2对热解产物半焦产率没有明显催化作用。
2.3稀土CeO2对热解气体分布的影响
管式炉热解气体由湿式气体流量计进行测量,每5min记录一次气体湿式气体流量计的读数。
图3热解煤气产物分布结果
由图3可知: 随着热解终温的升高,稀土CeO2催化条件下与非催化条件下热解煤气产率趋
势一致,都是随着热解温度的升高煤气产率升高,这说明热解终温是影响热解煤气产率分布的
主要因素。
３结论
（1）在中低温400℃-600℃,由于CeO2的催化作用,焦油产率随热解终温的升高而增加。
在450℃时热解产物焦油产率最高,这时主要是CeO2催化起主导作用,焦油本身的热分解不
剧烈。
（2）CeO2对热解产物半焦和气体产率影响不大,但由于CeO2的存在,会使半焦形成更多
的孔隙,促进挥发分的析出,使热解煤气提前释放出来。
参考文献:
[1] 闫金定, 崔洪. 热重质谱联用研究兖州煤的热解行为[J]. 中国矿业大学学报, 2003,32(3):
311-315.
[2] 刘生玉. 中国典型动力煤及含氧模型化合物热解过程的化学基础研究[D]. 太原: 太原理
工大学, 2004.
[3] Zou xianwu, Yao jianzhong, Yang xuemin, et al. Catalytic effects of metal chlorides on the
pyrolysis of lignite[J]. Energy and Fuels, 2007, 21(2): 619-624.
作者简介: 王东方,男,河南郑州人,在读研究生,就读于内蒙古科技大学矿业研究院,指导老师:赵利胜,教授级高工。2013年毕业于河南工程学院安全工程系。
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