郭 輝,王春波,鄒 潺,邢佳穎

(華北電力大學(xué)(保定) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

煤炭在我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占很大比例，且在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)這種消費(fèi)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生較大的變化。煤炭的利用主要是通過(guò)燃燒來(lái)實(shí)現(xiàn)的，燃燒同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的污染物排放到環(huán)境中，例如CO2，SO2，NOx，顆粒物(PM2.5)和有毒痕量元素汞、砷、鉛等。其中砷的揮發(fā)性較高，是當(dāng)前自然環(huán)境中致癌危害性最大的元素之一[1]。

在煤粉燃燒過(guò)程中，砷的釋放速率與煤粉的燃燒具有同步性[2]，而燃燒氣氛會(huì)直接影響煤粉燃燒的劇烈程度[3]。當(dāng)燃燒的煤種含較高水分時(shí)，其爐內(nèi)水蒸氣的含量可高達(dá)10%～20%，隨著反應(yīng)的進(jìn)行氧氣逐漸被消耗導(dǎo)致?tīng)t膛中部分燃燒為高溫低氧高水蒸氣氣氛下的燃燒。且煤粉燃燒過(guò)程主要是焦炭的燃燒過(guò)程，焦炭燃燒時(shí)間占整個(gè)燃燒時(shí)間的90%。姜中孝等[4]指出當(dāng)燃燒氣氛中氧氣濃度較低時(shí)，水蒸氣會(huì)與煤焦發(fā)生氣化反應(yīng)，從而促使煤焦快速燃燒;HECHT等[5]通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算了不同水蒸氣濃度下煤焦的失重速率，同時(shí)探究了氣化反應(yīng)是如何影響煤焦的燃燒特性的，結(jié)果表明氣化反應(yīng)使煤焦顆粒表面溫度和氧化反應(yīng)速率降低，但總的來(lái)說(shuō)，氣化反應(yīng)使煤焦的失重速率增加，燃盡時(shí)刻提前。王春波等[6]通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了低氧下水蒸氣能加快煤焦的燃燒，縮短燃盡時(shí)間，且影響程度并非與水蒸氣濃度呈線(xiàn)性關(guān)系。另外，高溫下水蒸氣與煤焦在其表面反應(yīng)生成大量還原性氣體(CO和H2)，YAN等[7]利用軟件模擬研究了400～1 800 K還原氣氛中痕量元素的遷移特征，發(fā)現(xiàn)大部分痕量元素在還原氣氛下可以很容易地生成熱穩(wěn)定性低的化合物(低氧化物，微量元素硫化物等)。王賀飛等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出當(dāng)燃燒氣氛中含有水蒸氣時(shí)，砷的最終釋放比例會(huì)比無(wú)水蒸氣時(shí)要大，主要原因是水蒸氣與煤焦發(fā)生氣化反應(yīng)。WANG等[9]利用沉降爐研究了富氧氣氛中水蒸氣對(duì)砷釋放的影響，發(fā)現(xiàn)水蒸氣的存在會(huì)降低砷在細(xì)微顆粒物中的濃度。目前關(guān)于水蒸氣對(duì)煤粉燃燒砷釋放影響的報(bào)道局限于砷的最終釋放比例，而且考慮煤種本身的水分對(duì)砷釋放的影響。所以筆者選用煤焦作為研究對(duì)象，有利于對(duì)砷在煤燃燒過(guò)程中的釋放規(guī)律有進(jìn)一步的認(rèn)知。為了研究低氧下水蒸氣對(duì)煤焦燃燒過(guò)程中砷釋放的影響，筆者在高溫水平管式爐上進(jìn)行了清水溝煙煤煤焦的燃燒實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變不同停留時(shí)間，并進(jìn)一步探究水蒸氣在不同溫度、不同粒徑下對(duì)砷釋放特性的影響，得出煤焦燃燒過(guò)程中砷釋放比例隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。最后，對(duì)無(wú)水蒸氣和20%水蒸氣2種氣氛下煤焦燃燒過(guò)程中砷的釋放動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)選取國(guó)內(nèi)電廠(chǎng)最常用的煙煤，產(chǎn)地清水溝，其工業(yè)分析和元素分析及砷含量見(jiàn)表1。煤焦的制備方法:首先將原煤磨制、篩選出0～75，75～150和150～250 μm 三種粒徑的煤粉，然后按照GB/T 212—2008制得煤焦。

表1 煤樣的基本性質(zhì)Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal samples

1.2 實(shí)驗(yàn)燃燒設(shè)備及方法

燃燒實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要系統(tǒng)組成包括:質(zhì)量傳感器、管式爐、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)等。實(shí)驗(yàn)所用的管式爐型號(hào)為XY-1700，其直徑50 mm，長(zhǎng)1.2 m，最低溫度600 ℃，最高溫度可達(dá)1 700 ℃，可左右移動(dòng)。通入混合氣體的總體積流量為2.67 L/min，有關(guān)文獻(xiàn)[6,10]已說(shuō)明在該氣體體積流量下可以忽略外擴(kuò)散的影響，實(shí)驗(yàn)每次稱(chēng)取(0.500±0.001)g煤或煤焦平鋪在剛玉舟內(nèi)，剛玉舟和質(zhì)量傳感器相連，待爐內(nèi)溫度上升至設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度后保持溫度，并持續(xù)通入設(shè)定實(shí)驗(yàn)氣氛30 min，迅速移動(dòng)管式爐，使盛有樣品的剛玉舟處于爐內(nèi)中間恒溫段。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)樣品質(zhì)量實(shí)時(shí)變化情況進(jìn)行記錄，記錄頻率為1個(gè)/s。傳感器精度為±0.1 mg，相對(duì)誤差±0.5%。得出樣品在該工況下重量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of coal combustion

限于砷目前尚不能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的在線(xiàn)測(cè)量，本文通過(guò)改變樣品在爐內(nèi)的停留時(shí)間(0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，11，13，16和20 min)，并測(cè)定不同停留時(shí)間點(diǎn)下樣品燃燒剩余固體樣品中砷的含量，得到燃燒過(guò)程中砷的釋放特性。從樣品快速送入爐膛中開(kāi)始計(jì)時(shí)，達(dá)到設(shè)定的停留時(shí)間后，快速將盛有燃燒剩余固體的剛玉舟取出，移至通N2通道中，待冷卻后對(duì)燃燒剩余固體進(jìn)行收集，得到該停留時(shí)間的待測(cè)樣品。為了減小氣流波動(dòng)、受熱不均勻和樣品平鋪不均勻等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，同一工況重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次，誤差在±1%以?xún)?nèi)認(rèn)為數(shù)據(jù)有效，取平均值。

1.3 樣品消解及分析

原煤焦樣(原煤樣)和待測(cè)樣品中砷的含量通過(guò)型號(hào)AFS-8220原子熒光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，具體消解及測(cè)量方法見(jiàn)文獻(xiàn)[11]，形態(tài)分析見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

1.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析方法

本文用可失重組分余額來(lái)反映煤焦燃燒反應(yīng)的快慢[6]。第i分鐘可失重組分余額ki為

ki=(Mi-M)/(M0-M)×100%

(1)

式中，M0為原煤焦質(zhì)量;Mi為i時(shí)刻煤焦質(zhì)量;M∞為燃盡時(shí)刻煤焦質(zhì)量。

(2)

Xi為不同停留時(shí)間下煤焦中砷的釋放比例，即

Xi=100%-wi

(3)

用同樣方法可求原煤中砷的釋放比例[2]。

2 結(jié)果與討論

2.1 水蒸氣的影響

首先研究了水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)煤和煤焦燃燒過(guò)程中砷最終釋放比例的影響，選取粒徑為75～150 μm的煤和煤焦樣在溫度1 000 ℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。燃燒氣氛中的O2體積分?jǐn)?shù)φ(O2)為5%，H2O體積分?jǐn)?shù)φ(H2O)分別為0，10%，20%和30%，N2為平衡氣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(折算到單位原煤下砷的釋放比例，即煤焦中砷釋放比例×制焦率)如圖2所示。

圖2 1 000 ℃下水蒸氣對(duì)清水溝煤和煤焦燃燒砷釋放特性的影響Fig.2 Effect of steam on the characteristics of arsenic released from Qingshuigou coal and char combustion at 1 000 ℃

從圖2可以看出水蒸氣對(duì)煤和煤焦中砷釋放的影響是同步的，水蒸氣主要是與焦炭發(fā)生氣化反應(yīng)促進(jìn)了煤焦中砷釋放進(jìn)而影響了煤中砷釋放[11]。

為了具體研究水蒸氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)煤焦燃燒過(guò)程中砷釋放特性的影響，選取粒徑為75～150 μm的煤焦樣在溫度1 000 ℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。燃燒氣氛中的φ(O2)為5%，φ(H2O)分別為0，10%，20%和30%，N2為平衡氣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，圖中砷釋放曲線(xiàn)是通過(guò)Origin中B樣條曲線(xiàn)擬合得到燃燒過(guò)程中砷釋放隨時(shí)間的變化曲線(xiàn);砷釋放速率曲線(xiàn)是根據(jù)砷的釋放曲線(xiàn)求一階導(dǎo)數(shù)得到的瞬時(shí)釋放速率，表示某個(gè)時(shí)間點(diǎn)砷的釋放快慢程度。

圖3 1 000 ℃下水蒸氣對(duì)清水溝煤焦燃燒砷釋放特性的影響Fig.3 Effect of steam on the characteristics of arsenic released from Qingshuigou char combustion at 1 000 ℃

從圖3可以看出，無(wú)論有無(wú)水蒸氣，砷的釋放比例都隨時(shí)間逐漸增加，并在10 min左右趨于一個(gè)穩(wěn)定值。隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的升高，砷的釋放速率曲線(xiàn)峰值變高，砷的最終釋放比例增加，但并非與水蒸氣體積分?jǐn)?shù)呈線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)由0增加到10%和10%增加到20%砷的最終釋放比例分別增加了1.60%，2.30%，而當(dāng)其體積分?jǐn)?shù)從20%進(jìn)一步增加到30%砷最終釋放比例增加了1.60%。從砷釋放速率曲線(xiàn)可以看出，砷的釋放速率峰值隨水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加而升高。

為了對(duì)圖3里面的砷釋放特性進(jìn)行深入的解釋?zhuān)槍?duì)圖3里面的工況，測(cè)定了煤的燃燒特性，如圖4所示。

圖4 1 000 ℃水蒸氣對(duì)清水溝煤焦燃燒特性的影響Fig.4 Effects of steam on the combustion characteristics of Qingshuigou char at 1 000 ℃

圖4給出了清水溝煤焦在1 000 ℃不同水蒸氣體積分?jǐn)?shù)下的燃燒特性曲線(xiàn)。隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加，煤焦的失重速率峰值逐漸增加，燃燒完全的時(shí)間也隨之縮短。對(duì)比圖3，4可知，燃燒特性曲線(xiàn)和砷釋放特性曲線(xiàn)具有相似變化趨勢(shì)，隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的升高，燃燒曲線(xiàn)和砷的釋放曲線(xiàn)皆左移。這是由于低氧下水蒸氣會(huì)影響煤焦的燃燒特性，進(jìn)而影響了砷的釋放特性。煤焦在低氧濃度下燃燒速率較為緩慢，而水蒸氣較N2擴(kuò)散能力強(qiáng)，部分沒(méi)有燃燒的煤焦會(huì)與水蒸氣在高溫下發(fā)生氣化反應(yīng)，改善了煤焦顆粒的孔隙度[12-13]，使砷在孔隙中的擴(kuò)散速度加快，砷的釋放速率增加。此外，高溫下水蒸氣與焦炭在其表面反應(yīng)生成大量還原性氣體CO和H2，使得焦炭中的熔融礦物質(zhì)發(fā)生了變化[14]。其中砷酸鈣絡(luò)合物的轉(zhuǎn)變對(duì)研究砷相變具有重要意義[15]，Ca3(AsO4)2是一種較為穩(wěn)定的砷酸鹽，在常規(guī)氣氛下高于1 400 ℃才開(kāi)始分解、釋放AsO(g)，而在還原性氣氛下，Ca3(AsO4)2在1 000 ℃就會(huì)向熱穩(wěn)定性不高的Ca(AsO2)2轉(zhuǎn)變，Ca(AsO2)2繼續(xù)分解形成As2(g)，當(dāng)溫度持續(xù)升高，AsO(g)為砷的穩(wěn)定形態(tài)，導(dǎo)致砷的最終釋放比例增加[2]。

另外，當(dāng)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)超過(guò)20%時(shí)，煤焦失重速率和砷釋放速率增加的幅度反而變小。這可能是因?yàn)槊航古c水蒸氣發(fā)生氣化反應(yīng)時(shí)形成的微孔和中孔數(shù)目會(huì)隨水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加而增長(zhǎng)[16]，當(dāng)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，微孔數(shù)目達(dá)到最大值，如果此時(shí)再增加水蒸氣體積分?jǐn)?shù)會(huì)導(dǎo)致連接微孔的“壁”消失，使微孔坍塌和封閉，形成中孔和大孔[17]，這樣反而降低了煤焦顆粒的內(nèi)表面積。同時(shí)，大量水蒸氣與煤焦發(fā)生氣化反應(yīng)，會(huì)降低煤焦顆粒表面溫度，這樣反而對(duì)煤焦燃燒和砷釋放產(chǎn)生不利影響。因此，在低氧下水蒸氣的存在會(huì)促進(jìn)煤焦燃燒，并對(duì)煤焦砷釋放具有一定的改善作用，但并非與水蒸氣體積分?jǐn)?shù)呈線(xiàn)性關(guān)系，當(dāng)水蒸氣體積分?jǐn)?shù)超過(guò)某一數(shù)值后，煤焦失重速率和砷釋放速率增加的幅度反而變小。

2.2 反應(yīng)溫度的影響

圖5 不同溫度下水蒸氣對(duì)清水溝煤焦燃燒砷釋放特性的影響Fig.5 Effect of steam on the characteristics of arsenic releas-ed from Qingshuigou char combustion at different temperatures

為了研究不同反應(yīng)溫度下水蒸氣對(duì)煤焦燃燒過(guò)程中砷釋放特性的影響，選取粒徑為75～150 μm的煤焦樣分別在溫度800，1 000和1 200 ℃，φ(O2)為5%，φ(H2O)為0和20%下，N2為平衡氣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，無(wú)水蒸氣氣氛下清水溝煤焦中砷的釋放速率和最終釋放比例均不斷增加。這是由于隨著溫度的升高，煤焦顆粒中的砷更容易從表面蒸發(fā)出來(lái)，而且大多數(shù)砷的固態(tài)有機(jī)化合物和無(wú)機(jī)化合物在較高溫度下容易分解生成氣態(tài)的砷單質(zhì)和氧化砷釋放出來(lái)，增加了砷的釋放比例和速率。另外，溫度升高會(huì)導(dǎo)致砷化合物從煤焦顆粒體內(nèi)到煤焦顆粒表面的擴(kuò)散系數(shù)增大，所以更多的砷隨著煤焦的燃燒釋放出來(lái)。但砷的最終釋放比例并非隨溫度線(xiàn)性增加，溫度從800 ℃升高到1 000 ℃砷的最終釋放比例增加了5.57%，進(jìn)一步升高到1 200 ℃砷的最終釋放比例增加了4.45%。這是由于清水溝煤焦中砷的賦存形態(tài)大部分以硫化物結(jié)合態(tài)的形式存在，且硫化物結(jié)合態(tài)砷會(huì)在800～900 ℃內(nèi)發(fā)生劇烈的分解/氧化分解[18]生成氣態(tài)砷從煤焦顆粒中釋放出來(lái)。

從圖5還可以看出，在同一溫度下，和無(wú)水蒸氣時(shí)相比較，水蒸氣的存在使砷的釋放速率曲線(xiàn)峰值變高，砷的最終釋放比例增加。但在不同溫度下，水蒸氣對(duì)煤焦中砷釋放的影響并不相同。因?yàn)樗魵庠?00 ℃時(shí)才開(kāi)始和煤焦發(fā)生緩慢的氣化反應(yīng)，在960 ℃左右氣化反應(yīng)速率達(dá)到最大值[19]，所以在800 ℃下水蒸氣對(duì)煤焦中砷釋放的影響相對(duì)比較小。而在1 000 ℃下氣化反應(yīng)劇烈，加速了煤焦顆?？紫抖群瓦€原氣氛的形成，使砷在孔隙中的擴(kuò)散速度加快，并且還原氣氛下熱穩(wěn)定性較低的砷酸鹽提前分解，使得砷的釋放比例增加。而在1 200 ℃下煤焦即使在無(wú)水蒸氣氣氛下大部分砷(熱穩(wěn)定性較低的砷酸鹽和硫化物結(jié)合態(tài)砷見(jiàn)表2)也都已釋放出來(lái)，這時(shí)水蒸氣能影響的只有煤焦中含量比較少的熱穩(wěn)定性高的砷酸鹽，導(dǎo)致在1 200 ℃下水蒸氣對(duì)煤焦中砷釋放的影響要小于1 000 ℃下水蒸氣的影響。

表2 煤焦中砷的形態(tài)分布Table 2 Distribution of arsenic in coal char

2.3 煤焦粒徑的影響

為了研究不同粒徑下水蒸氣對(duì)煤焦燃燒過(guò)程中砷最終釋放比例的影響，選取粒徑為0～75，75～150和150～250 μm的煤焦樣分別在溫度800，900，1 000，1 100和1 200 ℃(通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，以上不同粒度下煤焦中砷含量是相同的)，φ(O2)為5%，φ(H2O)為0和20%下，N2為平衡氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同粒徑下水蒸氣和溫度對(duì)清水溝煤焦燃燒砷最終釋放比例的影響Fig.6 Effect of steam and temperature with different particle sizes on the final release ratio of arsenic

從圖6(a)中可以看出，不管粒徑如何變化，在同一溫度下，和無(wú)水蒸氣時(shí)相比較，水蒸氣的存在都不同程度增加了砷的最終釋放比例。而且在同一溫度下，當(dāng)燃燒氣氛含20%水蒸氣時(shí)，煤焦粒徑越小，砷的最終釋放比例越大。因?yàn)楦唠A煤焦的孔隙不發(fā)達(dá)，粒徑變化會(huì)導(dǎo)致煤焦顆粒比表面積變化，而比表面積又是不同粒徑煤氣化反應(yīng)活性存在差異的主要原因[20]，所以粒徑較小的煤焦比表面積較大，氣化反應(yīng)活性較高，導(dǎo)致氣化反應(yīng)更劇烈，使得煤焦顆?？紫抖雀l(fā)達(dá)和還原氣氛的還原性更強(qiáng)，從而增加了砷的釋放比例。然而，隨著粒徑的減小，煤焦孔結(jié)構(gòu)的平均孔徑將減小，這將限制反應(yīng)氣體在煤焦表面的擴(kuò)散能力，使得煤焦氣化反應(yīng)活性增加的趨勢(shì)變緩[21]，導(dǎo)致砷釋放增加的趨勢(shì)變緩。另外，同一粒徑和含20%水蒸氣氣氛下，砷的最終釋放比例隨溫度升高而增加，但是不同粒徑增加的趨勢(shì)并不一樣，如6(b)所示粒徑為150～250 μm的煤焦在1 000～1 200 ℃砷釋放比例增加比較快，而粒徑為75～150 μm和0～75 μm的煤焦在低溫段800～1 000 ℃砷釋放比例增加比較快。這可能是因?yàn)榱皆龃?，氣化反?yīng)活性降低，導(dǎo)致氣化反應(yīng)峰值對(duì)應(yīng)的溫度會(huì)向高溫區(qū)移動(dòng)，同時(shí)砷釋放峰值對(duì)應(yīng)的溫度也會(huì)向高溫區(qū)移動(dòng)。

2.4 砷釋放動(dòng)力學(xué)

煤焦砷釋放過(guò)程中的反應(yīng)可以簡(jiǎn)化[22]為

(4)

另外，韓軍等[23]認(rèn)為砷的釋放為一級(jí)反應(yīng)。所以砷的動(dòng)力學(xué)方程為

(5)

式中，k為反應(yīng)速率常數(shù)，s-1;t為反應(yīng)時(shí)間，s。

根據(jù)阿倫尼烏斯法則可以得到化學(xué)反應(yīng)速率與煤焦顆?；钚约皽囟鹊年P(guān)系:

k=k0exp(-E/RT)

(6)

式中，k0為頻率因子，s-1;E為表觀(guān)活化能，kJ/mol;R為通用氣體常數(shù)，kJ/(mol·K);T為反應(yīng)溫度，K。對(duì)式(6)取對(duì)數(shù)可以得到

lnk=lnk0-E/RT

(7)

用lnk和1/T分別為Y和X軸，通過(guò)擬合得出直線(xiàn)斜率和截距，可以算出砷釋放的頻率因子k0和表觀(guān)活化能E。求出粒徑75～150 μm的煤焦在無(wú)水蒸氣和20%水蒸氣2種工況下的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 砷釋放的動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 3 Kinetic parameters of arsenic release

在低氧下，煤焦中砷的釋放在20%水蒸氣中的表觀(guān)活化能大于無(wú)水蒸氣中的表觀(guān)活化能，說(shuō)明在水蒸氣的參與下砷開(kāi)始釋放需要獲得更多的能量。因?yàn)樗魵饩哂休^高的定壓比熱，煤焦顆粒周?chē)_(dá)到相同溫度所需的熱量更高。另外，表觀(guān)活化能不僅反映了反應(yīng)進(jìn)行的難易程度，也反映了溫度對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)的影響的大小。即表觀(guān)活化能較大時(shí)，反應(yīng)速率對(duì)溫度越敏感[24]。表4列出了不同溫度在0和20%水蒸氣氣氛下砷的釋放速率，可以看出溫度從800 ℃升高到1 200 ℃時(shí)，20%水蒸氣氣氛下的砷釋放速率增加值要大于無(wú)水蒸氣氣氛下的砷釋放速率增加值。同時(shí)，20%水蒸氣氣氛下的頻率因子大于無(wú)水蒸氣氣氛下的頻率因子，說(shuō)明活化分子間的有效碰撞次數(shù)越多，反應(yīng)速率越快。因此當(dāng)燃燒氣氛中含20%水蒸氣時(shí)，煤焦中砷開(kāi)始釋放需要獲得更多的能量和釋放速率比較大。

表4 砷的釋放速率Table 4 Release rate of arsenic %/min

3 結(jié) 論

(1)在低氧體積分?jǐn)?shù)下(φ(O2)=5%)，水蒸氣能提高煤焦燃燒中砷的釋放速率和釋放比例，原因是低氧下水蒸氣與煤焦發(fā)生了氣化反應(yīng)，提高了砷的釋放速率并增加最終的釋放比例，但促進(jìn)作用隨著水蒸氣體積分?jǐn)?shù)的增加逐漸減弱。

(2)在同一溫度下，和無(wú)水蒸氣時(shí)相比較，水蒸氣的存在使砷的釋放速率曲線(xiàn)峰值變高，砷的最終釋放比例增加。而不同溫度下，水蒸氣對(duì)煤焦中砷釋放的影響并不相同，800 ℃和1 200 ℃下水蒸氣對(duì)煤焦中砷釋放的影響要小于1 000 ℃。

(3)在同一條件(溫度和氣氛)下，煤焦粒徑越小，砷的最終釋放比例越大。隨著粒徑的減小，煤焦氣化反應(yīng)活性增加的趨勢(shì)變緩，導(dǎo)致砷釋放增加的趨勢(shì)變緩。另外，砷釋放峰值對(duì)應(yīng)的溫度會(huì)伴隨著粒徑的減小向低溫區(qū)移動(dòng)。

(4)在低氧下，煤焦中砷釋放在20%水蒸氣氣氛下的表觀(guān)活化能和頻率因子皆大于無(wú)水蒸氣氣氛下的表觀(guān)活化能和頻率因子，導(dǎo)致砷開(kāi)始釋放需要獲得更多的能量和釋放速率比較大。