对高氯煤的气化及排放特性进行水洗预处理的实验研究

《Journal of the Energy Institute》：Experimental investigation of water-washing pretreatment on the gasification and emission characteristics of high-chlorine coal

高氯煤煤气化特性及水洗预处理影响研究。通过热重分析发现水洗煤在1100℃时CO和H2产率分别提升101.4%和126.5%，同时显著降低微米级颗粒物排放，其中0.4μm颗粒物减少达74.66%，主要归因于水洗有效降低氯和钠含量。

　　本研究聚焦于新疆的莎尔湖煤，这是一种具有高氯含量的典型煤种，其储量接近900亿吨，具备优良的燃料特性以及较低的二氧化硫排放风险。通过对比分析原始煤（RC）与水洗煤（WWC）在气化过程中的表现，本文探讨了水洗处理对煤的气化潜力、热重分析特性、产品产率以及细颗粒物排放的影响。研究结果表明，水洗处理能够有效去除煤中的可溶性矿物杂质，从而显著提高气化产物的产率。在1100摄氏度的条件下，水洗煤产生的CO和H?的产率分别达到最大增幅的101.4%和126.5%。此外，水洗处理还明显降低了煤在气化过程中生成的亚微米颗粒物的总体浓度和峰值浓度。在1400摄氏度的条件下，阶段6（0.4微米）颗粒物的减少量达到74.66%，而阶段1至8（0.029-0.98微米）的亚微米颗粒物总减少量为46.64%。水洗后钠和氯含量的显著降低是水洗煤在气化过程中亚微米颗粒物质量浓度明显低于原始煤的主要原因。

煤作为中国的主要能源，在工业生产和日常生活中扮演着重要角色。莎尔湖煤位于新疆，是一种典型的高氯煤，其储量接近900亿吨。低灰分使得莎尔湖煤具有良好的点火和燃烧特性，而低硫含量则减少了燃烧过程中二氧化硫的排放风险。然而，由于地质形成的原因，莎尔湖煤的氯含量相对较高，收到煤的氯含量超过1%。这种高氯含量在燃烧和煤转化过程中可能带来腐蚀风险以及氯污染物的释放。因此，实现高氯煤的清洁和安全利用，同时缓解这些不利影响，对于高效开发新疆的煤炭资源至关重要。

煤中氯含量的变化与煤形成材料、土壤盐分和地质矿物成分密切相关。基于这些形成因素，煤中的氯可以分为有机氯和无机氯两种类型。由于形成条件的差异，不同地区高氯煤中氯的存在形式存在显著差异。例如，Li等人研究了中国滦煤和兖州煤中的氯存在形式，发现滦煤中有机氯约占41%，而兖州煤中有机氯可高达73%。同样，Huggins等人分析了美国、英国和澳大利亚的煤，发现美国煤中的氯主要以有机形式存在，而英国和澳大利亚煤中的氯则主要以无机形式存在。对莎尔湖煤中氯的存在形式有清晰了解，是实现有效氯控制的关键。Qi等人分析了氯含量高达1.28%的莎尔湖煤，发现其中高达97.3%的氯是可溶性的，表明氯主要以无机形式存在。为验证这一结论，Ma等人也研究了莎尔湖煤中氯的存在形式，发现无机氯占82.8%。目前，控制煤燃烧过程中氯的主要策略包括燃烧前脱氯、燃烧过程中原位脱氯以及燃烧后脱氯。然而，考虑到长期运行、热交换面保护和高温氯腐蚀的预防，燃烧前脱氯通常被认为是最有效的方法。Wang等人研究表明，水洗处理能够显著改善准东煤的孔隙结构和矿物成分，并有效去除可溶性离子。Ma等人指出，水洗处理可去除莎尔湖煤中71.7%的钠和78.8%的氯，且水洗后的样品燃烧特性优于原始煤。作为一种大规模、低成本的物理清洁方法，水洗广泛应用于燃料的燃烧前处理。截至目前，大多数研究主要集中在脱氯效率、热解特性和燃烧行为方面，而对高氯煤水洗后的气化和排放特性进行系统研究仍较为有限。

气化是一种实现煤清洁利用的有效途径，中国对煤基化学产品的生产需求巨大。因此，使用经过简单预处理的高氯煤进行气化具有广阔前景。Tsubouchi等人发现，水洗处理可以去除高氯煤中部分氯化物，从而在150-750摄氏度的热解过程中延迟并减少氯的释放。Frigge等人研究了高氯煤在200至900摄氏度范围内的热解和气化过程中氯的释放情况，观察到气化过程中氯的释放峰值出现在约380摄氏度，且峰值量仅为热解条件下的约一半。在较低的气化温度下，燃料中的有机氯会被释放，而部分氯仍留在焦炭中。随着气化温度的升高，无机氯进一步释放，且其释放量随温度增加而增加。在较高的气化温度下，底灰中的氯含量变得极其低，表明大部分氯已被释放到气相或凝结为飞灰。在高氯煤的气化过程中，无机元素可以在高温下挥发，随后在凝结过程中形成细颗粒物。直径小于1微米的亚微米颗粒物特别难以通过常规设备捕获，导致合成气利用过程中产生二次污染，并对人类健康和环境构成重大风险。Yao等人通过对生物质热解和气化过程中细颗粒物排放的研究发现，气化过程中产生的细颗粒物直径主要在0.25-2.5微米之间，且其排放量约为热解条件下的1.1倍。Yang等人指出，城市固体废弃物的气化会产生双峰分布的亚微米颗粒物，峰值出现在0.1微米和0.4微米处，且主要无机元素包括K、Na、S和Cl。在水洗后的莎尔湖煤中，可溶性无机元素的含量大幅减少，这显著影响了气化过程中细颗粒物的形成特性。研究水洗后莎尔湖煤在气化过程中细颗粒物的形成和排放特性，对于高氯煤气化产业的清洁和高效发展具有重要意义。

为探讨莎尔湖煤的气化潜力，本研究提出了一种技术路线，即在水洗预处理后进行气化。首先，通过热重分析实验，研究水洗和随后不同形式的氯添加对高氯煤气化行为的影响。随后，进一步进行实验，评估高氯煤在不同高温条件下的气化反应及其产品产率，分别比较原始煤（RC）和水洗煤（WWC）的性能。最后，采集气化过程中产生的亚微米颗粒物并进行分析，评估不同温度条件下高氯煤水洗前后气化过程的排放风险。这些研究成果为高氯煤的清洁和安全气化利用提供了有价值的参考。

本研究采用的样品包括新疆的莎尔湖煤（RC）及其水洗样品（WWC）。水洗预处理的具体操作如下：将适量的RC（粒径小于97微米）置于搅拌器中，按照1克RC与50毫升水的比例进行混合。混合物在60摄氏度和50转每分钟的条件下搅拌24小时。预处理完成后，通过真空过滤将WWC样品与水分离，然后在烘箱中彻底干燥以备后续使用。水洗处理的实施对煤的物理和化学特性产生了重要影响，特别是在去除可溶性杂质方面。这些杂质的存在可能影响煤的气化性能和排放特性，因此对它们的去除具有重要意义。

为研究高氯煤在气化过程中的重量损失特性，本研究进行了热重分析实验。实验样品包括RC、WWC以及添加了氯化物的WWC。钠氯化物（NaCl）被用作无机氯的来源，而聚氯乙烯（PVC）被选为有机氯的代表。添加的氯化物质量比分别为2.5%、5%和10%。实验过程中，通过热重分析仪测量了样品在不同温度条件下的质量变化，以评估其气化行为。这些实验结果有助于理解水洗处理对煤气化性能的影响，以及不同形式的氯添加对气化过程的影响。

在气化过程中，氯的释放行为对产物生成和细颗粒物排放具有重要影响。研究表明，氯的释放量和释放时间与气化温度密切相关。在较低的气化温度下，有机氯的释放较为明显，而无机氯的释放则相对较少。随着气化温度的升高，无机氯的释放量显著增加，这可能导致更多的细颗粒物形成。因此，对氯释放行为的深入研究有助于优化气化过程，减少污染物排放。此外，水洗处理能够有效降低煤中的可溶性杂质含量，从而改善气化过程中氯的释放特性。这些变化对产物生成和细颗粒物排放具有显著影响，因此对水洗煤的气化特性进行系统研究具有重要意义。

本研究通过热重分析实验和气体分析实验，系统评估了莎尔湖煤在水洗前后气化过程中的重量损失特性、产物生成和细颗粒物排放情况。实验结果表明，水洗处理能够有效去除煤中的可溶性矿物杂质，从而显著提高气化产物的产率。在1100摄氏度的条件下，水洗煤产生的CO和H?的产率分别达到最大增幅的101.4%和126.5%。此外，水洗处理还显著降低了气化过程中亚微米颗粒物的总体浓度和峰值浓度。在1400摄氏度的条件下，阶段6（0.4微米）颗粒物的减少量达到74.66%，而阶段1至8（0.029-0.98微米）的亚微米颗粒物总减少量为46.64%。水洗后钠和氯含量的显著降低是水洗煤在气化过程中亚微米颗粒物质量浓度明显低于原始煤的主要原因。

为了进一步验证水洗处理对煤气化性能的影响，本研究还进行了不同温度条件下的实验。在这些实验中，研究了不同温度下原始煤和水洗煤的气化反应及其产物产率。结果表明，水洗处理能够显著改善煤的气化性能，包括提高产物产率和降低细颗粒物排放。此外，实验还揭示了不同温度下氯的释放行为和细颗粒物的形成规律。这些发现对于优化高氯煤的气化过程，提高气化效率和减少环境污染具有重要意义。

通过本研究的实验结果，可以得出以下结论：水洗处理能够有效提高高氯煤的气化性能，包括增加气化产物的产率和降低细颗粒物的排放。此外，水洗处理显著降低了煤中的可溶性杂质含量，这在气化过程中对细颗粒物的形成具有重要影响。因此，水洗处理是一种有效的预处理方法，能够显著改善高氯煤的气化特性。这些结论为高氯煤的清洁和安全气化利用提供了重要的理论依据和技术支持。

本研究的实验结果表明，水洗处理能够显著提高高氯煤的气化性能。在1100摄氏度的条件下，水洗煤产生的CO和H?的产率分别达到最大增幅的101.4%和126.5%。这表明水洗处理能够有效提高气化产物的产率，从而提高气化效率。此外，水洗处理显著降低了煤在气化过程中生成的亚微米颗粒物的总体浓度和峰值浓度。在1400摄氏度的条件下，阶段6（0.4微米）颗粒物的减少量达到74.66%，而阶段1至8（0.029-0.98微米）的亚微米颗粒物总减少量为46.64%。这些结果表明，水洗处理能够有效减少细颗粒物的排放，从而降低环境污染风险。水洗后钠和氯含量的显著降低是水洗煤在气化过程中亚微米颗粒物质量浓度明显低于原始煤的主要原因。

此外，实验还揭示了不同温度下氯的释放行为和细颗粒物的形成规律。在较低的气化温度下，有机氯的释放较为明显，而无机氯的释放则相对较少。随着气化温度的升高，无机氯的释放量显著增加，这可能导致更多的细颗粒物形成。因此，对氯释放行为的深入研究有助于优化气化过程，提高气化效率和减少环境污染。这些发现为高氯煤的清洁和安全气化利用提供了重要的理论依据和技术支持。

通过本研究的实验结果，可以得出以下结论：水洗处理能够有效提高高氯煤的气化性能，包括增加气化产物的产率和降低细颗粒物的排放。此外，水洗处理显著降低了煤中的可溶性杂质含量，这在气化过程中对细颗粒物的形成具有重要影响。因此，水洗处理是一种有效的预处理方法，能够显著改善高氯煤的气化特性。这些结论为高氯煤的清洁和安全气化利用提供了重要的理论依据和技术支持。

本研究还探讨了不同形式的氯添加对高氯煤气化性能的影响。通过热重分析实验，研究了不同形式的氯添加对高氯煤气化行为的影响。实验结果表明，不同形式的氯添加对气化产物的产率和细颗粒物的排放具有显著影响。这表明，氯的存在形式对气化过程具有重要影响，因此对氯的控制是实现高氯煤清洁利用的关键。这些发现为优化高氯煤的气化过程提供了重要的参考。

综上所述，本研究通过实验分析，揭示了水洗处理对高氯煤气化性能的重要影响。水洗处理能够有效去除煤中的可溶性杂质，从而提高气化产物的产率并降低细颗粒物的排放。此外，水洗处理显著降低了煤中的钠和氯含量，这在气化过程中对细颗粒物的形成具有重要影响。因此，水洗处理是一种有效的预处理方法，能够显著改善高氯煤的气化特性。这些结论为高氯煤的清洁和安全气化利用提供了重要的理论依据和技术支持。同时，本研究还探讨了不同形式的氯添加对高氯煤气化性能的影响，为优化气化过程提供了重要的参考。