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低温等离子体在煤中有机质去除(低温灰化)中的应用

Jul. 04, 2024

等离子体分为高温等离子体和低温等离子体,高温等离子体是热平衡态等离子体,重粒子和电子的温度都很高,而且几乎相等,主要应用在煤炭转化、燃烧等方面;低温等离子体放电过程中虽然电子温度很高,但重粒子温度很低,整个体系呈现低温状态,又叫非热平衡态等离子体,它由外电场驱动形成,产生时更多的能量被传递给电子,而原子、离子等重粒子只有通过碰撞才能有效地交换能量,整个系统表现为低温状态。图1-1所示为低温等离子体使用方式与产生原理。

图 2 -1  低温等离子体使用方式与产生原理

图 1 -1 低温等离子体使用方式与产生原理

低温等离子体中蕴涵的各种高能粒子和活性粒子在无规则运动时相互碰撞,碰撞前后粒子的总动量和总能量相等。电子和完全电离的离子只具有动能,原子和部分电离的离子还具有内能,可以被激发、激退、电离。当在等离子体态中放入待处理样品,各种活性粒子会通过辐射、粒子流和中性粒子流等方式与材料表面碰撞,发生能量交换、电荷转移、分子分解或复合、电子吸附等,引起样品表面相应的物理或者化学反应,使材料表面产生化学交联或反应作用,从而达到改变材料表面性质的目的。

低温等离子体在煤中有机质去除(低温灰化)中的应用

高温灰化会造成碳酸盐分解,硫铁矿氧化,粘土等硅铝酸盐矿物失水,碳酸盐矿物分解释出二氧化碳,硫化物氧化释出二氧化硫或形成金属氧化物,因此用干燥无灰基作为煤质分析基准并不准确[85]。煤的低温氧等离子体灰化(简称低温灰化LTA),就是在高频电场的作用下,低压下的氧由于气体放电而产生具有强氧化能力的氧等离子体,可在较低的温度下(30~150℃)氧化分解煤中的有机物,而煤中矿物质基本不受影响。通过等离子体低温灰化得到的矿物质含量一般要比正常高温灰化得出的灰分产率高10%以上,更能准确反映煤中矿物质的原始状态。等离子体低温灰化装置由气体供给源、等离子体管、真空泵和高频电源组成,其构造如图1-2所示。空气由气瓶经减压阀并通过流量计及机针阀流入等离子体管,在高频电源的激励下被激发为含有大量氧自由基的等离子体态,氧自由基与待处理样品表面有机质反应,逐步将样品氧化。

图 2 -2 等离子体灰化装置图

图 1 -2 等离子体灰化装置图

等离子体低温灰化是在较低温度下,利用氧等离子体,对生物质中的有机质进行氧化去除,其优势在于能够再较温和的条件下去除样品中的有机组分,在此过程中无机矿物组分的存在形式改变较小,为分析煤中矿物质的原始组成创造了大好条件。

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