摘要：能源的发展是推动人类进步的重要环节，而煤炭是能源的重要组成部分，如何提高煤炭的利用率，降低环境污染是当前主要研究方向。研究根据新型的化学链气化技术，探究不同实验条件下，铁酸镍载氧体对烟煤的影响。实验表明，烟煤的产气有效率和碳转化率与实验的温度呈正相关，950℃时碳转化率提升12.7%，产气有效率提升82.5%。载氧体和烟煤质量比7∶3时，碳转化率提升28.7%。0.7 g碱木质灰可以提高50.6%的碳转化率和12.6%的产气有效率。由此可得，适宜的实验条件可以有效地提升烟煤的碳转化率和产气有效率，合适碱金属添加物同样能够增强烟煤的利用率，降低转化过程中的环境污染。此次研究为后续的烟煤化学链气化载氧体研究提供了反应条件和添加物方面的参考。

　　关键词：铁酸镍；化学链气化；烟煤；碱金属；碳转化率

　　0引言

　　能源是人类社会发展的基础，没有能源就没有现代社会。能源为人类提供了动能、热能、电能等，支撑着工业、交通、通信等各个领域的发展[1]。而煤炭被人们誉为黑色的金子、工业的食粮，它是18世纪以来人类世界使用的主要能源之一[2]。进入21世纪以来，虽然煤炭的价值大不如前，但毕竟很长的一段时间之内煤炭还是人类的生产生活必不可少的能量来源之一[3]。当前能源发展的前提是高效地利用化石能源，同时降低生产过程中产生的环境污染，而化学链气化（chemical looping gasification，CLG）是一种新的煤炭资源处理方法，能够实现煤炭的低碳排放，高资源利用率处理，且载氧体能促进化学链气化的正向进行，但不同的条件对反应的影响程度不同。针对此问题，研究选取铁酸镍作为载氧体，探究了反应温度、载氧体和烟煤质量比及碱金属对烟煤化学链气化的影响。研究旨在探究适宜的反应条件，提高烟煤的碳转化率和产气有效率，降低环境污染。

　　1实验部分

　　1.1实验材料与仪器

　　实验采用内蒙古生产的烟煤作为原料，将合适的原料破碎后，通过200目（0.074 mm）的筛网筛选出粒度小于0.2 mm的煤样，将煤样放入干燥机中，在105℃下干燥24 h，确保煤样中的水分完全去除。对干燥后的煤样进行元素分析和工业分析，烟煤的挥发分和水分都较高，直接燃烧的安全性较低，对环境的污染大，因此需要通过其他方式来处理烟煤提高资源利用率，降低环境污染。此次实验采用的铁酸镍等材料均来自南京埃普瑞公司，纯度为分析纯级别，干燥箱的型号为DHG-9023A，生产厂家为上海捷呈实验仪器有限公司，元素分析仪使用的是来自德国Elementar公司生产的Elementar Vario EL cube。

　　1.2实验步骤及方法

　　实验采用的固定床装置由上海瑞艾特仪器有限公司生产，仪器具体结构如图1所示。

　　在图1中，固定床反应器用于实现气固相催化反应，物料控制用于控制进料，液体和气体控制器分别用于控制水蒸气和实验气体的输入。冷却吸收用于吸收反应残留物和水分，温度控制器用于把控实验中的温度变化，气体检测用于反应后的产物成分检测。实验将破碎干燥完成后的煤样和铁酸镍载氧体放入仪器进料口，打开气体控制阀门，持续输入80 mL/min的氩气，检查装置的气密性，气密性完好则持续吹入氩气30 min，确保装置内无其他残留。根据实验要求采用温度控制器对仪器进行加热，在仪器温度恒定后，打开进料口持续反应1 h后，将实验产生的气体和固体收集。再次通入氩气，在仪器温度下降至室温后关闭仪器完成实验。实验中的烟煤样的CLG有效率计算如式（1）所示：
       

　　式中：Er为烟煤样的气化有效率；Vz为反应产生的气体总体积；VCO为反应产生的一氧化碳体积；VH2为反应产生的氢气体积。

　　2实验结果与分析

　　在烟煤的CLG特性实验中，为了探究不同的条件对反应产物的影响，明确铁酸镍载氧体与烟煤的CLG反应特征，以便达到工业条件下的烟煤CLG反应定向调控目的，得到高质量的合成气。实验分别研究了固定床装置反应温度、载氧体和烟煤质量比例对烟煤CLG过程的影响，在反应温度为实验变量时，选取5 g烟煤为原料，载氧体和烟煤质量比为1∶1，反应温度从750℃逐渐升高到1 000℃。反应温度对烟煤的CLG特性影响如图2所示。

　　在图2-1中，反应产物中的CH4和CO2体积分数随着温度的升高而逐渐降低，CO的体积分数随着反应温度的上升而逐渐升高，H2的体积分数先随着温度上升有少量提升。在图2-2中，随着温度的升高，烟煤的碳转化率和产气有效率都在逐渐提升，碳转化率从15.1%提高到了28.9%，900℃前提升较慢，900℃之后提升较快。在950~1 000℃,烟煤的碳转化率只提升了1.1%，产气有效率增加了0.9%，因为温度过高会导致H2和载氧体的反应，同时过高的温度会对系统热负荷带来巨大的挑战。因此烟煤CLG实验的最适宜温度应该为950℃。

　　在以载氧体和烟煤质量比为变量时，选取5 g烟煤为原料，实验温度设置为950℃,分别选取不同比例载氧体和烟煤进行实验。载氧体和烟煤质量比对烟煤的CLG特性影响如图3所示。

　　在图3-1中，随着载氧体和烟煤质量比的逐渐增大，CO2体积分数在逐渐升高，CH4和H2的体积分数在逐渐下降，CO的体积分数随着载氧体和烟煤质量比值变大，先上升后下降。在图3-2中，随着载氧体和烟煤质量比值从0:10上升到8:2，烟煤的碳转化率从19.1%上升到了47.8%，产气有效率从90.8%下降至76.1%。载氧体和烟煤质量比为0:10~7:3之间，反应产生的有效气体的量大于CO被氧化为CO2的量，CO的体积分数呈增长趋势。载氧体和烟煤质量比大于7:3，剩余的载氧体晶格氧会将CO氧化为CO2，造成CO体积分数下降，进而影响产气有效率。因此，经过综合考量，选择碳转化率为38.7%和产气有效率为83.5%的载氧体和烟煤质量比值为7:3。不同碱金属的添加量对烟煤的CLG特性影响对比效果如表1所示。

　　在表1中，添加了碱木质灰的实验烟煤碳转化率从30.8%上升到了77.3%，产气有效率从83.2%上升至93.5%。添加了K2CO3的实验烟煤碳转化率一直呈上升趋势，从30.8%上升至68.2%，产气有效率从81.4%上升至93.4%，但添加量从0.7 g上升至0.9 g时，碳转化率和产气有效率增加都放缓。在相同添加剂量时，碱木质灰的碳转化率比K2CO3的碳转化率平均高出8.5%，产气有效率平均高出3.6%，因此选用碱木质灰作为实验添加剂。

　　3结论

　　针对烟煤的化学链气化处理技术，研究采用铁酸镍作为反应的载氧体进行相关实验，探究不同条件下烟煤碳转化率和产气有效率。实验结果表明，烟煤的碳转化率和产气有效率都随着温度的升高而逐渐提升，碳转化率从15.1%提高到了28.9%，超过950℃后，碳转化率只提升了1.1%，产气有效率增加了0.9%。因为升高温度促进化学链气化反应的正向进行，但过高的温度会导致H2产生损失。随着载氧体和烟煤质量比值增大，烟煤的碳转化率从19.1%上升到了47.8%，产气有效率从90.8%降至76.1%。因为随着比值增大，CO的生成量大于消耗量，而H2在不断和载氧体反应。添加碱木质灰可以有效提升烟煤的碳转化率和产气有效率，0.7 g可以提高50.6%的碳转化率和12.6%的产气有效率，因为碱金属可以促进载氧体中的晶格氧的释放。此次研究还存在一些问题，例如未对其他碱金属展开实验，后续在实验中开展其他碱金属对载氧体的影响研究。

　　[1]孙国震，安泽文，陈岩明，等.基于铁基载氧体的污泥/生物质化学链气化及其灰分-水分影响特性研究进展[J].洁净煤技术，2023，29（9）：1-13.

　　[2]高攀，黄星琪，刘禹彤，等.铁酸钙与生物质焦的化学链气化反应动力学研究[J].燃料化学学报，2023，51（9）：1259-1272.

　　[3]袁聪，蒲舸，高杰，等.改性BaFe2O4载氧体生物质化学链气化特性[J].化工学报，2022，73（3）：1359-1368.