煤中钠在燃料初期行为的研究

煤中钠是影响增压流化床（PFBC）和整体煤气化（IGCC）发展的一个重要因素。本文对煤中钠分别在800℃和900℃以及富氧和贫氧两种气氛下燃烧初期的释放规律进行了研究。结果表明,煤中钠在燃烧初期变化不大,钠的释放将主要发生在煤燃烧的后期。不同形态钠在燃烧初期的变化规律不同。随燃烧时间的增加水溶钠线性减小,盐酸溶钠线性增加。醋酸铵溶钠在燃烧初期总体表现为增加,不可溶钠则总体减少。研究显示,不同形态钠在燃烧初期存在转化,并主要表现咪水溶钠向盐酸溶钠的转化。温度和气氛对钠释放的影响主要取决于煤种。     

新疆高钠煤中钠的赋存形态及其对燃烧过程的影响

采用不同萃取液对中国新疆高钠煤进行逐级萃取实验,利用离子色谱仪和电感耦合等离子体原子发射光谱仪对萃取制得的滤液和固体煤样进行相应的元素分析,并通过逐级萃取后煤样的着火温度、燃尽温度和综合燃烧特性指数来分析高钠煤中不同存在形式钠对其燃烧特性的影响.结果表明,中国新疆高钠煤中的钠主要以水溶钠为主,有机钠和不可溶钠含量较少.影响高钠煤中水溶钠含量的主要因素有煤颗粒内部孔隙结构和颗粒粒径,且高钠煤中有机钠在各个粒径范围都保持了相对稳定的含量.煤种不同会导致煤中水溶钠与水溶氯的存在形式不同.煤中水溶钠的存在不利于高钠煤的着火温度和燃尽温度的降低与燃烧特性的提高,相反煤中的有机钠却对其具有促进作用.     

二氧化碳和水气氛对高钠煤转化过程中钠迁移的影响

对新疆的两种高钠煤（伊犁煤YL、呼图壁煤HTB）进行了N₂、CO₂和H₂O气氛和不同温度下钠迁移的研究。采用逐级萃取和湿法消解法确定了原煤、半焦中钠的赋存形态,定量研究了两种煤中钠的挥发及迁移规律。结果表明,YL煤的形态钠中水溶钠占80.08%,HTB煤的形态钠中不溶钠占61.54%。不同气氛下,升高温度都可促进两种煤中钠的挥发,半焦中水溶钠比例减小,醋酸铵可溶钠比例会出现先增加后减少现象,盐酸可溶钠比例呈增加趋势。对于YL煤,CO₂气氛可抑制钠的挥发,H₂O蒸气可促进钠的挥发;900℃时,YL煤CO₂气氛下钠挥发仅为N₂气氛下的50.25%,而H₂O气氛钠挥发为N₂气氛下的111.45%。对于HTB煤,CO₂气氛也可抑制钠的挥发,900℃时CO₂气氛下钠挥发为N₂气氛的80.91%;HTB煤在H₂O蒸气下,800℃之前钠挥发高于N₂,当900℃时,钠挥发略低于N₂气氛。YL煤形态钠中以水溶钠为主,其挥发的同时会向盐酸可溶钠及不溶钠转变。而HTB煤形态钠中以不溶钠为主,其次是水溶钠,CO₂和H₂O气氛能促进不溶钠向其他可溶态钠转变。     

五彩湾煤中钠在热解过程中的形态变迁

采用不同萃取液进行了新疆准东五彩湾高钠煤萃取实验,并利用微波消解仪和电感耦合等离子体原子发射光谱仪,分析了原煤和不同萃取过程下制得的煤样中的钠元素,确定了五彩湾煤中钠的存在形式。在氮气氛围下进行了原煤及不同萃取过程下煤样的热解实验,分析了热解半焦中钠的存在形式并确定煤中不同存在形式钠在热解过程中的演变规律。结果表明,五彩湾煤中钠主要为水溶钠,有机钠主要以羧酸盐形式存在。450~650℃时,实验煤样热解过程中部分水溶钠和盐酸溶钠会转化为醋酸铵溶钠。在热解过程中,实验煤样中水溶钠和醋酸铵溶钠的析出主要集中于650~850℃,1050℃时则有部分盐酸溶钠析出,此时,在实验条件下钠的挥发达到最大值。煤样半焦中的钠主要以不可溶钠形式存在。     

准东煤中碱金属的赋存形式及其在燃烧过程中的迁移规律实验研究

对新疆煤采用三步化学提取实验(蒸馏水洗、醋酸铵洗、稀盐酸洗)以分析其碱金属赋存特性,对水溶的阴离子进行了离子色谱分析。分别检测了在不同温度、不同停留时间下准东煤灰的碱金属量,并用Factsage软件模拟该煤灰中碱金属的析出形式。结果表明,煤中的钠主要是水溶钠,钾主要以不可溶钾存在,水溶碱金属主要以水合离子形式的氯化物存在。准东煤中碱金属在400~600℃析出最快,主要是水溶态碱金属的释放,碱金属的释放主要发生在燃烧后期。灰中碱金属在高温下会与烟气中的成分发生反应,主要产物是氯化物以及氢氧化物。在700℃钠对准东煤中低温共融物的形成有很大贡献。     

准东高碱煤气化过程中碱金属迁移与结渣特性实验研究

利用循环流化床对天池木垒高碱煤进行了气化实验研究,获得了天池木垒高碱煤在循环流化床上的结渣特性及碱金属迁移规律,并对实验中出现的床内颗粒聚团现象进行了分析。结果表明,不同存在形态的碱金属在煤气化过程中的迁移规律不同,水溶钠和醋酸铵溶钠在煤气化过程中以气态形式析出,不溶钠主要存在半焦中;随着气化温度升高,底渣和煤气中钠含量增加,飞灰中钠含量减少;尾部管道温度降低过程中,煤气中钠的冷凝速率明显高于钾;天池木垒高碱煤气化过程中容易引起床内颗粒聚团,床温越高,颗粒聚团现象越明显,床温波动越大;碱金属与灰分中矿物成分及床料中SiO₂反应生成黏性低温共熔物是导致颗粒聚团的关键。     

准东煤燃烧碱金属析出气、固相分布特性

采用萃取法测量了准东煤中不同赋存形式碱金属(Na、K)的含量,Na以水溶性为主,占59%,K主要以不可溶的硅铝酸盐存在,占总量的53%。进行准东煤燃烧实验,燃烧温度为400-950℃,研究了高碱准东煤燃烧过程中碱金属在气、固两相中的分布。结果表明,随温度升高,煤粉成灰率降低,Na从煤中不断析出进入气相;而K在400℃时,气相中的含量低于固相,温度高于500℃,气相中的含量超过固相并基本保持不变;碱金属在固相中出现富集现象,灰中碱金属的质量分数随温度升高;气相中的Na主要来源于水溶性,析出的K除了可溶性外,还有部分来自不可溶的硅铝酸盐;根据国标灰的XRD分析,煤中碱金属在燃烧过程中会与SiO_2和Al_2O_3反应生成钠长石和霞石等低熔点化合物。     

生物质混煤燃烧过程中钾的迁移转化规律

通过将稻秆和褐煤混燃,研究了燃烧温度以及生物质掺混比例对于混燃过程中K的释放、灰样中K的赋存形式以及矿物质变化的影响。研究表明,燃烧温度对于混合燃料中K的释放影响显著。在600-750℃时,随着温度升高,水溶性K和醋酸铵溶性K大量释放到气相,使得K的释放速率较快;而当温度在750-850℃时,水溶性K和醋酸铵溶性K开始大量地转化为其他形式的K而被固定在灰样中,使得K的释放速率变得缓慢;当温度高于850℃时,随着温度升高,盐酸溶性K的分解导致K释放速率重新增大。通过XRD分析发现,灰样中水溶性K主要以KCl的形式存在,K_2SO_4的生成同时受到原料中K的含量和S/Cl比值两个因素的共同影响,原料中K的含量越高,且S/Cl比值越大,越会促进K_2SO_4的生成。同时也发现生物质和煤混燃时存在协同作用,煤中Al、Si等元素会和生物质中的K反应生成碱性硅铝酸盐,从而导致更多K留在灰烬中。     

生物质混煤燃烧过程中钾的迁移转化规律

通过将稻秆和褐煤混燃，研究了燃烧温度以及生物质掺混比例对于混燃过程中K的释放、灰样中K的赋存形式以及矿物质变化的影响。研究表明，燃烧温度对于混合燃料中K的释放影响显著。在600-750℃时，随着温度升高，水溶性K和醋酸铵溶性K大量释放到气相，使得K的释放速率较快；而当温度在750-850℃时，水溶性K和醋酸铵溶性K开始大量地转化为其他形式的K而被固定在灰样中，使得K的释放速率变得缓慢；当温度高于850℃时，随着温度升高，盐酸溶性K的分解导致K释放速率重新增大。通过XRD分析发现，灰样中水溶性K主要以KCl的形式存在，K₂SO₄的生成同时受到原料中K的含量和S/Cl比值两个因素的共同影响，原料中K的含量越高，且S/Cl比值越大，越会促进K₂SO₄的生成。同时也发现生物质和煤混燃时存在协同作用，煤中Al、Si等元素会和生物质中的K反应生成碱性硅铝酸盐，从而导致更多K留在灰烬中。     

高碱煤钠赋存形态及其燃烧过程中迁移转化的研究进展

随着新疆超大煤田的相继发现，新疆煤凭借储量大、碱金属含量高、在热利用过程中易造成锅炉沾污、结垢等问题而得到普遍关注。对高碱煤在燃烧过程中钠挥发特性及其影响因素进行更全面的探究，可为高碱煤的高效清洁利用提供重要参考。本文统计、分析了已发表论文中高碱煤燃烧钠挥发特性的相关数据，研究得到，绝大多数高碱煤中的钠以水溶性钠为主，部分煤（神华宽沟煤和后峡煤）则以不溶性钠为主；不溶性钠含量较高的煤，盐酸可溶性钠和醋酸可溶性钠含量也较高。本文对比研究了四个主要影响钠迁移转化的因素（钠形态和含量、Cl的含量、灰组分和燃烧温度）得出，温度对钠挥发量的影响最大，温度的升高可显著增加钠挥发量，900℃后又可加快挥发速率；当钠含量分布在2000-4000 μg/g时，挥发量与总量之间具有良好的正相关，与可溶性钠含量无关；当燃料中Na和Cl物质的量比低于3.5时，Cl对钠的挥发有明显的促进作用，大于10以后，钠的挥发量较低；钠挥发量与Na和[（Si+Al）-（Ca+Mg）]物质的量比有明显的负相关。本文根据现有的研究成果，考虑钠的赋存形态及影响挥发的因素后，将钠在燃煤过程中的迁移转化行为归纳为三个阶段（内部转化、外部挥发和转化、凝结）和四条路径。     

煤灰中矿物质组成对煤灰熔融温度的影响

选取九种不同灰熔融温度的煤样,利用X射线衍射分析方法,研究了煤灰的矿物质组成及含量对灰熔融温度的影响,以及弱还原性气氛下不同温度煤灰熔融过程中的矿物演变过程及其对灰熔融温度的影响。结果表明,815℃煤灰的主要晶体矿物质组成为石英、硬石膏、赤铁矿、氢氧钙石和石灰等。一般情况下,煤灰中氢氧钙石含量低,硬石膏和赤铁矿含量高的煤,灰熔融温度较低。在还原性气氛下,随着温度的升高,煤灰中的石英、硬石膏、氢氧钙石等结晶矿物含量逐渐减少,生成新的矿物质。莫来石的生成是导致煤灰熔融温度高的主要原因。低灰熔融温度煤灰在加热过程中,在1 100℃时,钙长石和铁钙辉石的生成起到了降低煤灰熔融温度的作用。     

CaO含量对高钠煤灰熔融特性的影响

为研究CaO含量对高钠煤灰熔融特性的影响,配制了不同CaO含量的高钠合成灰并对灰熔融温度(AFTs)进行了测试,利用Fact Sage 7.0提供的热力学数据库对灰熔融过程进行了模拟,分析不同CaO含量的高钠合成灰的矿物质变化,利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对合成灰的矿物质组成及微观形貌进行了研究。结果表明,随着CaO含量的增加,灰熔融温度先降低后提高。添加CaO同时影响含钙矿物质与含钠矿物质的存在形式与相对含量。在1 000℃下,含钙矿物质由钙长石依次转化为钙铁榴石、硅灰石、钙黄长石、硅钙石和原硅酸钙,含钠矿物质由钠长石转化为霞石。二元相图和似三元相图的结果表明,液相线温度随CaO含量的变化趋势与灰熔融温度相同。对本研究中的煤种,当CaO含量高于40%时,可以有效提高灰熔融温度。     

神木煤灰自身固硫的微观特性分析

当管式炉温由800 ℃升高到1 200 ℃时，神木煤灰的自身固硫率由63.5%降低到6.4%。晶相组成、孔隙结构和表面形态分析表明，800 ℃煤灰自身固硫渣样中CaSO4的质量分数高达18%，CaCO3和CaO的质量分数高达22.4%。渣样表面呈蓬松的棉絮状结构，颗粒内部有许多均匀密布的细小孔隙。1 200 ℃渣样中的CaSO4已全部分解，并且不存在任何CaCO3或CaO晶相，渣样表面由许多结构密实、表面光滑的块状颗粒组成，带有明显的烧结胀大和高温熔融的痕迹。1 200 ℃渣样的比表面积、孔容积和平均孔径等比800 ℃时急剧减小。     

水热处理对神华煤质的影响

结合水热处理煤的元素、灰分、挥发分分析以及IR光谱研究，讨论了水热处理对神华煤溶胀、抽提及液化性能的影响。结果表明，较高温度下水热处理存在明显的加氢作用，H/C摩尔比高于原煤；水热处理具有脱挥发分和脱灰作用，水热处理温度升高挥发分降低，灰分增加；水热处理的气态产物主要是CO2，250℃以上产生CO和CH4，其中CO2产率不受水热处理温度影响，CO和CH4产率则随水热处理温度升高而增加；水热处理降低了神华煤的溶胀性能，CS2/NMP混合溶剂抽提减小了抽余物在NMP溶剂中的溶胀度；适当温度水热处理能够提高CS2/NMP抽提率，但是索氏抽提性能有所降低；250℃~300℃水处理能够提高液化转化率，但是油气收率低于原煤，前沥青烯收率显著高于原煤。IR光谱分析表明,水热处理改变了煤分子中氢键等非共价键作用，其中较高温度水热处理将导致醚键、酯键等弱共价键水解和芳环侧链的断裂。     

准东煤掺烧高岭土对固钠率及灰熔融特性影响研究

选择常见的黏土矿物高岭土作为准东煤添加剂掺烧,研究了不同掺混比例、不同燃烧温度下添加剂的固钠率和煤灰熔融特性的变化,结合XRD谱图和三元相图研究了灰中矿物在高温下的演变过程。结果表明,固钠率随高岭土掺混比例增加逐渐增大,在0~2%时增长较快,2%~5%增长较慢,随燃烧温度升高略微下降;掺混后煤灰熔点随掺混比例先缓慢减小,再快速减小,后快速增加,在3%时达到1 200 ℃左右;XRD和三元相图分析结果表明,煤灰熔融特性变化是由于灰中硅钙石、钙黄长石和钙长石矿物比例的变化引起,发生低温共熔现象是导致掺混比例为3%和4%时煤灰熔点最低的主要原因;当掺混比例为2%时,固钠率在60%以上且灰熔点在1 300 ℃左右,利于固态排渣,当掺混比例为3.0%~4.0%时,灰熔点在1 200 ℃左右,利于液体排渣。     

不同预处理方法对准东高碱煤中碱金属含量测定的影响

以四种不同的准东高碱煤及气化飞灰为研究对象,对高碱煤及气化飞灰中碱金属(Na、K)的赋存形态,以及不同预处理方法(低温灰化法、直接消解法、中国国标法、萃取法及氧弹燃烧法)对准东高碱煤及气化飞灰中碱金属(Na、K)含量测定的影响进行了测试分析。结果表明,准东高碱煤中碱金属Na主要以水溶态形式存在,碱金属K主要以水不溶态形式存在;不同的预处理方法对准东高碱煤中碱金属(Na、K)含量的测定结果影响显著,对于准东高碱煤及气化飞灰中碱金属(Na、K)含量测定,建议采用氧弹燃烧法,萃取法也可以相对准确地反映煤中碱金属Na的含量。