【成果掠影】

近日,中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室白进研究员团队在能源、燃烧化学与工程领域国际顶级期刊《Combustion and Flame》(中科院SCI 1区,IF=5.767)上发表了题为“Effect of phosphorus-based additives on sodium release during Zhundong coal gasification in flat flame-assisted entrained flow reactor”的学术论文。博士生张显显为文章第一作者,白进研究员与孔令学副研究员为共同通讯作者。

准东煤田是我国目前最大的整装煤田,预测储量达3.9×1011吨。由于特殊的成煤条件及当地独特的自然地理环境,准东煤中钠含量均大于2%,远高于其他常规动力用煤(<2%),部分矿区产煤甚至高达10%以上。煤气化过程中,煤中钠释放造成严重的灰沉积、结渣等问题。因此,进一步研究准东煤气化过程中钠释放问题,对准东煤清洁高效利用具有重要意义。本论文中,作者使用平面火焰携带流反应器研究了含磷添加剂对准东煤气化过程中钠释放的影响及矿物质的演化规律。

气化过程中准东煤中钠NaCl、Na2SO4或钠原子的形式释放至气相。在气化反应初期,由于碳基质阻塞煤焦颗粒的中孔,抑制碱金属钠释放,大部分钠被中煤中碳基质包裹形成不可溶态钠。随煤焦颗粒继续气化,碳基质的消耗及挥发分-焦炭之间的二次化反应促使绝大部分钠释放至气相。此外,气相的钠与其它矿物质反应、富集或冷凝在煤焦颗粒表面,最终以含钠硅酸盐或硅铝酸盐的形式存在。准东煤与含磷添加剂共气化时,在气化反应初始阶段含磷添加剂促进碱金属钠释放,由于添加剂分解或者水解反应生成的含磷氧化物与释放至气相中的钠发生气-气反应生成含磷细颗粒物NaxPOy(x=1或3;y=3或4)。随气化反应继续,含磷的细颗粒物有充足的时间进一步碰撞、冷凝,与煤中其它矿物质反应,大部分的钠被固留在底渣中并以Ca9MgNa(PO4)7与NaAlSi3O8的形式存在。因此,准东煤与含磷添加剂共气化可减少碱金属钠释放,此结果可为富磷废弃物与准东高钠煤共气化提供一定的理论支撑。

该研究得到了国家自然自然科学基金面上项目(22178370 与 22078352)和山西省重点研发(202102090301004)等项目的资助。

原文链接:https://authors.elsevier.com/c/1gPxp2KiHacsI

数据概括:

 

图1 平面火焰携带流反应器示意图

图2 气化过程中钠的释放率。(a)气化反应初始阶段(b)气化反应最终阶段

图3 气流床气化过程中含磷添加剂对准东煤中钠释放的机理示意图