張燕超,雷 鳴
(華北電力大學 動力工程系, 河北保定 071003)
目前,我國最主要的一次能源仍是煤炭,其產量和消耗量均占世界第一位。在煤炭利用(如氣化和燃燒)時,煤中的氮和硫化合物會生成各種氣態(tài)污染物排入大氣,造成環(huán)境污染和生態(tài)破壞[1]。煤熱解是氣化和燃燒的基礎,了解熱解煤焦中氮和硫的賦存形態(tài)及其轉化規(guī)律,對于控制煤利用過程中氮和硫化合物等有害氣體有重要參考作用。
國內外學者開展了大量有關煤熱解時煤焦表面氮和硫化學形態(tài)的研究,但大部分是針對恒定升溫速率或者常壓情況,只有少數(shù)學者研究了升溫速率或環(huán)境壓力對熱解煤焦表面含氮和含硫官能團轉化的影響。張肖陽等[2]研究了升溫速率對準東煤熱解特性的影響,發(fā)現(xiàn)快速熱解可以產生更大的溫度梯度,有利于煤焦內外表面的芳香結構官能團和脂肪族官能團等的分解,可促進孔隙的形成。Liang等[3]研究了升溫速率對我國2種低階煤(勝利褐煤和神木煙煤)熱解反應性及表面化學性質的影響,認為不同煤種的煤焦中含氧官能團隨升溫速率的變化趨勢有所差別,且升溫速率對熱解反應性的影響取決于煤焦表面化學性質以及微觀結構的變化等多種因素。Gao等[4]進行了煤加壓熱解過程中CO2誘導化學鍵斷裂機理的研究,發(fā)現(xiàn)CO2氣氛更容易使加壓熱解過程中的化學鍵發(fā)生斷裂,促使更多含氫基團分解。Duan等[5]研究了循環(huán)流化床中CO2氣氛下加壓熱解煤焦中氮和硫的轉化規(guī)律,認為較高的CO2壓力促使燃料氮向HCN轉化,而且加速了煤中硫化物的分解。Zhang等[6]研究了環(huán)境壓力對神華煙煤在管式爐中熱解特性的影響,發(fā)現(xiàn)隨環(huán)境壓力的升高,熱解煤焦中不穩(wěn)定的吡咯型氮(N-5)減少,穩(wěn)定性較高的吡啶型氮(N-6)和季氮(N-Q)增加。
隨著增壓流化床燃燒和加壓富氧燃燒等一些新型燃燒技術的發(fā)展,人們迫切需要了解煤在高升溫速率以及高壓下熱解時煤焦表面氮和硫化學形態(tài)的轉化規(guī)律。筆者利用沉降爐和管式爐并結合X射線光電子能譜儀(XPS),研究了不同熱解條件下生成的煤焦表面含氮和含硫官能團的轉化規(guī)律。
實驗所用煤樣為魏家地煙煤,其煤質分析結果見表1。原煤經微型制樣機研磨,并先后通過180目和200目篩子篩分,收集直徑為75~80 μm的煤樣顆粒,在105 ℃下烘干3 h后備用。
表1 原煤的工業(yè)分析和元素分析
為研究常壓時升溫速率對煤焦中含氮和含硫官能團轉化規(guī)律的影響,分別采用沉降爐和管式爐制取高升溫速率下的快速熱解煤焦(以下簡稱快速焦)和低升溫速率下的慢速熱解煤焦(以下簡稱慢速焦)。此外,采用管式爐制備不同環(huán)境壓力下的煤焦,研究在升溫速率一定時壓力對煤焦表面氮和硫化學形態(tài)的影響。
1.2.1 沉降爐
實驗所用沉降爐原理圖如圖1所示。該沉降爐最高工作溫度為1 400 ℃,受熱區(qū)域為直徑60 mm、長900 mm的剛玉管,分為上、中、下3個溫控區(qū)域,采用硅鉬棒進行加熱。煤樣通過由步進電機控制的給樣機,被給粉一次風送入給樣槍后再由二次風裹挾進入剛玉管熱解或燃燒。煤焦或者煤灰通過取樣槍冷卻后進入集灰器。由高壓氣瓶送出的高純氣體通過減壓閥減壓后分別作為給粉一次風和助燃二次風送入剛玉管。
圖1 沉降爐實驗原理圖
1.2.2 管式爐
本實驗所用管式爐是美國MTI公司的OTF-1200X-HP-30A型高溫高壓管式爐,其爐管法蘭上安裝有高壓電磁閥和壓力傳感器,爐管尺寸為30 mm(外徑)×12 mm(內徑)×580 mm(長度),恒溫區(qū)的長度為200 mm。此款儀器可在高壓富氧環(huán)境或惰性氣體環(huán)境下對樣品進行熱處理,最高溫度可達1 150 ℃,控制精度為±5 K。氣瓶中的氣體經過減壓閥后再進入反應腔室。圖2為高溫高壓管式爐原理圖。
圖2 管式爐實驗原理圖
1.3.1 常壓快速熱解
設定上、中、下3個溫控程序使沉降爐反應段自動升至目標溫度,而后通入氮氣吹掃,使尾部煙氣分析儀顯示爐內氣體為氮氣時,調整一次風體積流量為2 L/min,打開給樣機開始給煤,給煤質量流量約0.1 g/min。實驗結束后,從集灰器中收集焦樣并保存于密封袋內。常壓快速熱解溫度分別為800 ℃、1 000 ℃、1 200 ℃和1 400 ℃。
1.3.2 常壓慢速熱解
每次稱取約0.1 g煤樣平鋪在石英舟上,放入高溫高壓管式爐密封,用氮氣吹掃5 min后,調整氮氣體積流量為100 mL/min并開始升溫(升溫速率為10 K/min),到達目標溫度后恒溫20 min,實驗完畢自然冷卻后將瓷舟中產物取出,然后保存于密封袋中。為便于與快速焦對比分析,常壓慢速熱解終溫分別設置為800 ℃、1 000 ℃和1 149 ℃(管式爐最高工作溫度)。
1.3.3 加壓熱解
將石英舟置于管式爐爐膛后密封,通入氮氣吹掃5 min后開始加壓,待到達設定環(huán)境壓力后,調整氮氣體積流量為100 mL/min并以10 K/min的速率開始升溫,同時維持環(huán)境壓力恒定,達到目標溫度后恒溫20 min,實驗完畢自然冷卻后將瓷舟中產物取出并放入密封袋。加壓熱解時,管式爐終溫維持在1 000 ℃不變,環(huán)境壓力分別設置為0.1 MPa、2 MPa、4 MPa和6 MPa。
1.4.1 XPS分析
采用Thermo ESCALAB 250XI型XPS對煤焦表面含氮和含硫官能團進行測試。XPS使用單色Al Ka(1 486.6 eV)X射線源,在150 W下操作,其斑點直徑為500 μm,在獲得光譜的同時將C1s(284.6 eV)峰作為定標標準對由充電產生的結合能進行校正。在窄掃過程中,通過能為30 eV、步長為0.05,在寬掃過程中,通過能為50 eV、步長為0.5,所有樣品的測試條件均相同。在XPS分峰譜圖中橫坐標表示結合能,縱坐標表示峰的強度。
1.4.2 分峰擬合
對含氮和含硫官能團的擬合均采用Casa XPS完成。所有數(shù)據均采用Shirley背景扣除本底,半峰寬限制在0.8~2.2 eV。高斯-洛倫茲限制參數(shù)固定為30。
據文獻[7]可知,煤中含氮官能團主要分為以下4類:吡啶型氮(N-6)、吡咯型氮(N-5)、季氮(N-Q)和氮氧化物(N-X),其對應的結合能分別為(398.7±0.4) eV、(400.5±0.3) eV、(401.1±0.3) eV和(403.5±0.5) eV,N-Q也被稱為質子化吡啶[7]。由于吡啶酮的結合能與吡咯型氮的結合能相近,因此吡啶酮也以N-5來表示。據文獻[8]~文獻[10]可知,煤中含硫官能團主要分為6種:硫鐵礦、硫化物(無機硫化物和脂肪族硫化物)、噻吩(芳香族硫)、亞砜、砜和硫酸鹽,其對應的結合能分別為(162.5±0.3) eV、(163.3±0.4) eV、(164.1±0.2) eV、(166±0.5) eV、(168.0±0.5) eV和(169.5±0.5) eV。由于單個組分的XPS中S 2p譜由一對自旋軌道分裂峰(2p3/2和2p1/2)組成,該對分裂峰的面積比為2∶1,分離能量為1.18 eV,峰寬保持相同[11],所以煤與煤焦中含硫官能團的分峰擬合一般有6組,共12個峰。
圖3為原煤表面含氮和含硫官能團的XPS分峰擬合譜圖。如圖3(a)所示,經分峰擬合發(fā)現(xiàn)魏家地原煤含有的含氮官能團有4種,即N-6、N-5、N-Q和N-X,其相對峰面積分別為24.44%、47.97%、17.27%和10.32%,表明原煤中主要含氮官能團為N-6和N-5,此2種官能團皆位于煤分子結構邊緣[8],僅有17.27%的氮位于煤分子多環(huán)芳香結構內部,此外原煤中還含有約10%的N-X官能團,這可能是煤樣在空氣中存放而導致煤分子結構邊緣的氮與空氣中的氧結合生成的。由圖3(b)可知,原煤中的含硫官能團有6種:硫鐵礦、硫化物、噻吩、亞砜、砜和硫酸鹽,其中無機硫為硫鐵礦和硫酸鹽以及少量的無機硫化物,其相對峰面積分別為22.96%、3.18%、13.77%、19.11%、13.8%和27.17%??梢娫汉蚬倌軋F中,無機硫與有機硫比例大致相同,無機硫中以硫鐵礦和硫酸鹽為主,而主要的有機硫官能團為噻吩、亞砜和砜。
(a) 含氮官能團
(b) 含硫官能團
由于XPS是一種半定量分析手段,光電子的強度與各種因素有關,如樣品表面粗糙度、元素所處狀態(tài)等,因此XPS一般只能給出所測元素的相對含量,無法得到所測元素的絕對含量。筆者結合煤焦的元素分析,將不同溫度與環(huán)境壓力下得到的含氮和含硫官能團擬合數(shù)據分別折合至統(tǒng)一基準,即常壓快速熱解與慢速熱解分別以800 ℃工況下所得煤焦中氮與硫的總質量為基準,加壓熱解以0.1 MPa下所得煤焦中氮與硫的總質量為基準。不同熱解條件下煤焦的元素分析見表2。
表2 不同熱解條件下煤焦元素分析
2.2.1 快速焦中含氮官能團的轉化規(guī)律
將煤焦樣品的XPS譜圖進行分峰擬合后,計算各含氮官能團峰面積占總面積的比例,得到各含氮官能團的相對峰面積。由擬合結果計算得到的含氮官能團數(shù)據見表3。由表3可知,800 ℃快速焦中仍存在4種官能團,即N-6、N-5、N-Q和N-X。對比原煤的含氮官能團數(shù)據發(fā)現(xiàn),煤焦中N-6質量分數(shù)增加,N-5質量分數(shù)下降,N-Q和N-X的質量分數(shù)均有所增加。Nelson等[12]認為N-5的穩(wěn)定性小于N-6,熱解過程中N-5會向N-6轉化。熱解溫度不高時氮與煤焦表面的含氧官能團相結合形成N-X或N-Q[7],導致二者質量分數(shù)增加。
隨著熱解溫度的升高,魏家地煙煤快速焦中N-5的質量分數(shù)僅在1 000 ℃快速焦中有所提高,之后其質量分數(shù)隨著熱解溫度的升高而減??;而N-Q的質量分數(shù)在1 000 ℃快速焦中大幅減小,之后隨熱解溫度升高逐漸增大;N-X的質量分數(shù)隨熱解溫度升高持續(xù)減少,在熱解溫度高于1 000 ℃的快速焦中完全消失,而N-6的質量分數(shù)略有減小,最終在1 400 ℃快速焦中以N-6和N-Q為主要官能團類型。
表3 快速焦中含氮官能團分峰擬合數(shù)據
對含氮官能團轉化規(guī)律分析可知,N-X最不穩(wěn)定,在高于800 ℃的快速焦中已經不存在,其去向有2種,其一是進入揮發(fā)分逸出,其二是轉化為其他官能團形式,如N-6,這也解釋了為何在1 000 ℃的快速焦中N-6的質量分數(shù)會增大。N-X受熱分解出的氧原子在高溫狀態(tài)下會與N-6結合,使部分N-6氧化為吡啶酮,即N-5,所以在1 000 ℃快速焦中N-5的質量分數(shù)會顯著增加。而N-Q的質量分數(shù)在1 000 ℃時下降非常多,說明1 000 ℃下N-Q的穩(wěn)定性較低,熱解過程中能夠轉化為其他形式的氮。N-Q為煤分子結構內部的氮,在加熱條件下煤分子結構之間的化學鍵會發(fā)生斷裂,從而使N-Q中的氮轉移到煤分子結構邊緣,形成N-6。這與Phiri等[13]的研究結果相吻合,他們認為N-Q在低溫時就開始向N-6轉變,同時還指出N-X能夠分解為N-5,這也是實驗中N-5的質量分數(shù)在1 000 ℃時增加的原因之一。1 000 ℃后,隨著熱解溫度進一步升高,N-6和N-5的質量分數(shù)均逐漸減小,在此過程中二者分解產生了更多氮氧化物前驅體(HCN)[5],這說明雖然N-6在低溫下具有較高的穩(wěn)定性,但在高溫條件下其穩(wěn)定性也會下降。但是與N-5相比,N-6質量分數(shù)的減幅有限,說明其穩(wěn)定性依然高于N-5。在高溫快速焦中存在的N-5是N-6與熱解氧結合生成的吡啶酮。在更高熱解溫度的作用下N-Q的質量分數(shù)逐漸升高,說明其熱穩(wěn)定性隨著熱解溫度升高而升高,在高溫下生成的N-Q與原煤中賦存的N-Q不是同一結構。Pels等[14-15]認為高溫熱解條件下N-Q是氮結合到了大型多環(huán)芳香含碳結構中形成的。
2.2.2 快速焦中含硫官能團的轉化規(guī)律
表4給出了由快速焦含硫官能團XPS分峰擬合譜圖計算得到的快速焦表面含硫官能團數(shù)據。由于硫化物和硫鐵礦結合能非常接近,且硫鐵礦在500 ℃以上會隨著熱解溫度的升高而逐漸分解為無機硫化物,故認為此次實驗中,熱解后的快速焦在結合能163 eV處主要含有硫化物。由表4可知,在800 ℃及以上的快速熱解焦中硫鐵礦的質量分數(shù)均為0,而原煤中有硫鐵礦的存在,說明在溫度較低的熱解過程中硫鐵礦已經完全分解,這與Zhang等[16]的結論相吻合。無機硫中硫酸鹽的質量分數(shù)變化不大,并一直處于較高水平,僅在高溫下快速焦中的硫酸鹽明顯減小,說明其穩(wěn)定性較高,而高溫可使硫酸鹽分解。對于有機硫,由表4可以看出,硫化物的質量分數(shù)隨著熱解溫度升高而逐漸減小,在高于1 200 ℃的快速焦中完全消失,說明其穩(wěn)定性在有機硫官能團中最低。在1 000 ℃快速焦中噻吩質量分數(shù)的增加是由硫化物熱解轉化而來的,而亞砜質量分數(shù)的增加考慮是熱解過程中硫與快速焦表面含氧官能團結合導致的。隨著熱解溫度的升高,噻吩的質量分數(shù)繼續(xù)增加,在1 200 ℃達到最大值,而亞砜質量分數(shù)逐漸減小,砜的質量分數(shù)雖然也在減小,但是減小速率逐漸變慢,說明亞砜的穩(wěn)定性最低,噻吩的穩(wěn)定性最高,砜的穩(wěn)定性介于兩者之間。但隨著熱解溫度達到1 400 ℃,砜的質量分數(shù)開始上升,噻吩的質量分數(shù)減小,說明在高溫快速熱解時,過高的熱解溫度會抑制砜的分解,同時破壞噻吩的穩(wěn)定,使其發(fā)生分解和轉化。
表4 快速焦中含硫官能團分峰擬合數(shù)據
2.2.3 慢速焦中含氮官能團的轉化規(guī)律
表5給出了由慢速焦含氮官能團XPS分峰擬合譜圖計算得到的煤焦表面含氮官能團數(shù)據。由表5可知,慢速焦中含氮官能團的變化趨勢與快速焦中含氮官能團的變化趨勢基本相同,即800 ℃慢速焦與原煤相比,N-5的質量分數(shù)減小,其余三者質量分數(shù)升高,在1 000 ℃慢速焦中N-6和N-5的質量分數(shù)增大,之后隨熱解溫度升高逐漸減小,而N-Q在1 000 ℃慢速焦中質量分數(shù)減小,在更高溫度的慢速焦中質量分數(shù)逐漸增加,N-X的質量分數(shù)則總是減小的,最終N-Q成為慢速焦中主要官能團。此變化趨勢說明煤焦中的氮經歷了從N-Q、N-5先向N-6轉化,N-6在高溫下與煤焦中熱解氧作用形成吡啶酮,然后在高溫下N-5和N-6向N-Q轉化的過程[17]。
表5 慢速焦中含氮官能團分峰擬合數(shù)據
值得注意的是,在1 149 ℃煤焦中N-6已經不存在,但是存在少量的N-5,這些少量的N-5是N-6與熱解氧結合生成的吡啶酮。由此推斷,在快速熱解實驗中較高的升溫速率不利于N-6的分解,或者是在慢速熱解時,煤焦在N-6的活潑溫度區(qū)間停留時間更長,使N-6的分解及轉化更完全,并且慢速焦中N-Q的質量分數(shù)比快速焦中略有升高,說明較慢的升溫速率使N-Q的穩(wěn)定性提高,使其更難分解。
2.2.4 慢速焦中含硫官能團的轉化規(guī)律
表6給出了不同熱解溫度下慢速焦中含硫官能團XPS分峰擬合數(shù)據。由表6可知,慢速焦中含硫官能團變化趨勢與快速焦中含硫官能團變化趨勢基本相同,即無機硫隨溫度升高會逐漸分解,導致硫鐵礦和硫酸鹽的質量分數(shù)逐漸減小;有機硫中噻吩逐漸增多,而亞砜和砜的質量分數(shù)逐漸減小。
表6 慢速焦中含硫官能團分峰擬合數(shù)據
與快速熱解相比,慢速焦中硫鐵礦與硫化物的變化趨勢有些“滯后”,即硫鐵礦消失較晚,而硫化物則一直在慢速焦中存在,這表明較慢的升溫速率不利于硫鐵礦和硫化物的分解,使其更多地保留在煤焦中,需要達到更高的溫度才能將其完全轉化;而硫酸鹽的質量分數(shù)在溫度較低時就已明顯下降,亞砜的質量分數(shù)相比快速焦也有較大降低,說明慢速熱解破壞了硫酸鹽和亞砜的穩(wěn)定性,促進了二者的分解。由于硫酸鹽和亞砜中均有氧存在,且慢速焦中二者分解較快,說明較慢的升溫速率有利于硫氧化物的釋放。
2.3.1 環(huán)境壓力對煤焦中含氮官能團轉化規(guī)律的影響
表7為加壓熱解煤焦表面含氮官能團的XPS分峰擬合數(shù)據。由表7可知,隨著環(huán)境壓力的提高,N-5和N-6的質量分數(shù)呈減小趨勢,且N-6的質量分數(shù)減小更劇烈,N-Q與N-X的質量分數(shù)反而隨環(huán)境壓力的提高而增加。可見環(huán)境壓力的提高可以抑制煤焦中N-5向N-6的轉化,同時促進二者分解,使其轉化生成更多的N-Q。另一方面,由變溫熱解實驗可知,在熱解溫度為1 000 ℃時,N-Q相比N-6更容易分解,即熱穩(wěn)定性更低,可知高環(huán)境壓力使N-6的熱穩(wěn)定性降低,但提高了N-Q的熱穩(wěn)定性。促使N-6向N-Q轉化的原因是:較高的環(huán)境壓力使位于煤分子結構外部的氮原子取代了連接在相鄰3個芳香環(huán)上的碳原子,從而促使氮結合到大型多環(huán)芳香含碳結構中形成N-Q。由以上分析可知,環(huán)境壓力對煤中氮元素遷移行為的影響實際上是促進煤中多環(huán)芳香含碳結構與氮形成新的結合方式,使煤分子內部的氮結合得更緊湊。
表7 加壓熱解煤焦中含氮官能團分峰擬合數(shù)據
根據參考文獻[7],在煤熱解過程中,煤焦中的N-X質量分數(shù)逐漸減小。而本次實驗中N-X質量分數(shù)在高壓熱解環(huán)境下逐漸增加,證明環(huán)境壓力的提高使N-X的穩(wěn)定性提高,從而抑制了N-X在煤熱解過程中分解為其他產物,同時使氮與含氧官能團更多地結合在一起,導致煤焦中熱解氧減少,從而也抑制了N-6向吡啶酮的轉化。
2.3.2 環(huán)境壓力對煤焦中含硫官能團轉化規(guī)律的影響
表8為根據加壓熱解煤焦XPS分峰擬合結果計算得到的含硫官能團數(shù)據。由表8可知,隨著環(huán)境壓力的提高,硫鐵礦、硫化物和亞砜的質量分數(shù)逐漸減小,在高壓煤焦中基本不含此三者;噻吩的質量分數(shù)逐漸增加;砜的質量分數(shù)先增加而后略有減小,但其質量分數(shù)總是大于常壓熱解時的質量分數(shù)。此外,硫酸鹽的質量分數(shù)一直穩(wěn)定在較高水平。Middleton[18]認為熱解過程中原煤中的硫被優(yōu)先分配到揮發(fā)性產物中,且熱解產物中的揮發(fā)分隨環(huán)境壓力提高而增加。表2所示元素分析結果也表明,環(huán)境壓力提高,煤焦中硫的質量分數(shù)逐漸減小,所以環(huán)境壓力的提高有利于煤焦的脫硫,可減少煤焦燃燒時硫氧化物污染。
表8 加壓熱解煤焦中含硫官能團分峰擬合數(shù)據
無機硫中硫鐵礦的質量分數(shù)隨環(huán)境壓力的提高而減小,當環(huán)境壓力高于2 MPa后就已經完全分解。硫酸鹽的質量分數(shù)一直趨于穩(wěn)定,隨環(huán)境壓力變化并不明顯。無機硫質量分數(shù)的變化說明環(huán)境壓力對其影響不大,而溫度才是影響其分解的重要因素[19]。
在有機硫中,隨環(huán)境壓力的提高,砜的質量分數(shù)呈增加趨勢,但當環(huán)境壓力超過2 MPa時,砜的質量分數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定;噻吩的質量分數(shù)也呈增加趨勢,且增加速率逐漸提高;而亞砜的質量分數(shù)降低較多,且當環(huán)境壓力超過2 MPa后幾乎已經不含此物質;硫化物的質量分數(shù)隨環(huán)境壓力的提高也有下降趨勢。煤焦中噻吩的結構更為復雜,更加穩(wěn)定,砜的穩(wěn)定性次之,而硫化物與亞砜的穩(wěn)定性很低。環(huán)境壓力的提高可促進煤焦有機硫中硫化物和亞砜等不穩(wěn)定含硫官能團的分解,并促使其向噻吩和砜等穩(wěn)定官能團轉化,從而增大了噻吩和砜的比例。
(1) 升溫速率對煤焦表面含氮和含硫官能團的轉化有一定的影響。煤焦中N-6在快速熱解時較慢速熱解時更加穩(wěn)定,但升溫速率的提高破壞了N-Q的穩(wěn)定性,使其更容易分解。對于含硫官能團而言,較高的升溫速率促進了硫鐵礦和硫化物的分解,而硫酸鹽和亞砜的分解卻被抑制。
(2) 環(huán)境壓力對煤焦表面含氮和含硫官能團的轉化影響比較顯著。對于含氮官能團,環(huán)境壓力的提高破壞了N-6和N-5的穩(wěn)定,抑制了N-5向N-6的轉化,并使二者更多地分解并轉化為穩(wěn)定性更高的N-Q,同時N-X在加壓條件下也變得更難分解。對于含硫官能團,環(huán)境壓力對硫鐵礦和硫酸鹽等無機硫的影響較小,但加壓可促進有機硫中硫化物和亞砜等不穩(wěn)定含硫官能團的分解,使其轉化為穩(wěn)定性更高的砜和噻吩。