配煤对煤灰熔融特性影响的实验与量化研究

采用量子化学计算方法和实验研究,从微观分子结构和宏观煤灰熔融特性两个层面上,研究了高温下高、低灰熔点煤配煤降低高灰熔点煤煤灰熔融温度的熔融特性和熔融机理。实验和计算结果表明,配煤时,Ca²⁺作为电子受体进入煤灰中莫来石的晶格,使晶格发生重组,易生成熔点较低的钙长石。莫来石的分子结构较钙长石的要稳定得多,Ca²⁺进入莫来石晶格后位于由\[SiO₄\]^4-和\[AlO₄\]^5-两种四面体形成的网络之间,与O配位的Ca原子削弱了莫来石中的Si-O键,使得配煤后的混煤灰熔融温度降低。量子化学计算得到的灰中矿物质分子结构及相应的物理化学特性,如化学状态、表面化学活性及成键特性等,能够很好的从灰中矿物质分子微观结构特性解释高温下煤灰熔融过程中耐熔矿物与助熔矿物间的反应机理。     

添加助熔剂后朱集西煤灰熔融特性规律研究

以高灰熔点朱集西洗煤为对象,研究了助熔剂CaCO₃、Fe₂O₃、CaCO₃/Fe₂O₃复合助熔剂以及CaMg(CO₃)₂对其煤灰熔融特性的影响。结果表明,各助熔剂均可降低煤灰熔融温度,但助熔效果与助熔剂种类和添加量有关,采用CaCO₃/Fe₂O₃复合助熔剂以及CaMg(CO₃)₂在添加量较小时,助熔效果明显;利用FactSage热力学软件,分析了添加助熔剂对煤灰中矿物高温熔融行为的影响,为进一步掌握助熔剂的助熔机理提供理论帮助。     

山西典型无烟煤灰流动性的调控

为满足气化炉液态排渣的要求,考察和比较了CaO、MgO和Fe₂O₃三种助熔剂对山西典型无烟煤煤灰流动性(熔融性和黏温特性)的影响.研究发现,MgO对硅铝比在1.2~2.0的高硅铝煤灰的流动温度降低最有效,其次为CaO和Fe₂O₃,这是由于使用各种助熔剂时生成不同的高温稳定矿物组分造成的.针对三种助熔剂建立了流动温度和完全液相温度的关系式,并得到了CaO和Fe₂O₃含量与流动温度的关系:FT = 1 593-9.573 × w_CaO (R²=0.9429) 和FT =1 576-8.330 6 × w_Fe2O3 (R²=0.955 9),可以用于指导助熔剂的添加.CaO无论从降低黏度数值或降低临界黏度温度都具有最好的效果.Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺的电负性差异和高温下的产物不同是三种助剂对黏度数值影响不同的根本原因; Mg²⁺、Fe²⁺具有较小的离子半径以及单质铁在高温下析出是导致临界黏度温度较高的原因.     

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。     

湿法脱硫浆液中Hg2+的还原机制研究

针对燃煤电厂湿法脱硫浆液中Hg²⁺易被还原的特性,研究Hg²⁺在模拟湿法脱硫系统中的迁移机制,考察了浆液温度、pH值以及SO₃^2-、Cl^-、Ca²⁺、Mg²⁺浓度等因素对Hg²⁺还原性能的影响。结果表明,Hg²⁺还原率随着浆液中SO₃^2-浓度的增大而降低;pH值对Hg²⁺的还原呈先增加后降低的趋势,在pH值为5.5时还原率最高;温度的升高不利于浆液中稳定的二价汞盐络合物存在,导致Hg²⁺还原率增加;Ca²⁺、Mg²⁺以及Cl^-浓度的增加有利于形成稳定化合物,从而抑制Hg²⁺的还原。     

基于牛血清白蛋白功能化金纳米棒的荧光探针测定Hg2+

建立了一种以牛血清白蛋白功能化的金纳米棒(BSA-Cys-GNRs)为荧光探针检测Hg²⁺的新方法。以半胱氨酸作为连接臂成功将牛血清白蛋白修饰在金纳米棒表面,通过紫外可见吸收光谱、荧光光谱、红外光谱和荧光倒置显微镜等多种分析方法对材料进行表征。研究发现,在295nm波长光激发下,BSA-Cys-GNRs探针在338nm显示强荧光,而Hg²⁺能够有效地猝灭BSA-Cys-GNRs的荧光。对一系列影响猝灭效果的因素进行考察,得出pH 4.0、孵育时间5.0min为最佳检测条件。Mn²⁺、K⁺、Ni²⁺、Na⁺、Cr³⁺、Cd²⁺、Mg²⁺、Cu²⁺、Ca²⁺、Al³⁺和Zn²⁺对BSA-Cys-GNRs的荧光信号没有明显的影响。当Hg²⁺的浓度为0.04444~8.888μmol·L^-1时,荧光猝灭效率与Hg²⁺的浓度之间存在良好的线性关系,检测限为8.08nmol·L^-1。将该方法用于环境水样中Hg²⁺的检测,回收率为98.9%~105.0%。     

铁基助熔剂对皖北刘桥二矿煤的灰熔融特性影响研究

研究了铁基助熔剂对皖北刘桥二矿煤（AQ）灰熔融特征的影响,并对AQ煤灰在添加铁基助熔剂前后不同热处理温度下的矿物组成进行了XRD和红外光谱分析。结果表明,导致AQ煤灰熔点高的主要原因是1000℃以上形成的莫来石引起的;加入铁基助熔剂可以降低AQ煤灰的熔融温度;在高温下铁基助熔剂与煤灰中其他铝硅酸盐矿物发生反应,生成铁橄榄石和铁尖晶石等低温共熔化合物,从而使煤灰熔点明显下降。     

染布厂污泥对高灰熔融温度（AFT）煤灰熔融行为的改性及其机理（英文）

为解决煤气流床（EFB）气化过程中的结渣问题，在还原气氛下研究了染布厂污泥（TDS）对高灰熔融温度（AFT）煤的熔融特性的影响。通过X射线衍射、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和FactSage计算研究其变化机理。结果表明，当TDS含量添加20%-25%时，流动温度降至1380℃以下，满足EFB气化的液态排渣要求。随着TDS含量的增加，低熔点矿物（如铁尖晶石、钙长石和钠长石）的形成导致AFT降低。网络结构的桥氧键被金属离子(如Fe²⁺、Ca²⁺、Na⁺)破坏，大量的非桥氧（NBO）键生成，导致硅酸盐网络结构疏松，AFT降低。Si-O-Si键和Si-O-Al键的峰值强度逐渐降低，Fe-O键和Si-O-M(M:Ca²⁺或Na⁺)键的振动增强被FT-IR证实了NBO的形成。FactSage计算的结果与实验中灰熔融行为具有一致性。     

钙铁助剂对粉煤灰熔融性和结晶行为的影响机理

利用粉煤灰制备高强度无机纤维是实现其高值化利用的重要路径,由于粉煤灰硅铝含量较高,可通过添加钙铁助剂降低均质化过程中原料熔融温度,避免降温拉丝过程中结晶行为。本工作研究了空气气氛下不同含量及比例钙铁助剂对煤灰熔融性及结晶行为的影响机理。结果表明,空气气氛下氧化钙(CaO)与氧化铁(Fe₂O₃)不存在协同助熔效果,CaO的助熔效果优于Fe₂O₃。高温下Fe₂O₃未与硅铝组分生成低熔点矿物,而添加CaO有利于将难熔的莫来石转化为钙长石,使得粉煤灰熔点大幅度降低;然而,当CaO添加量超过30%时,生成了大量的钙黄长石,使得粉煤灰熔点迅速升高。降温过程中,铁元素以赤铁矿形式析出,析晶温度相对较低;而钙元素以钙长石形式析出,析晶温度相对较高,不利于无机纤维制备过程中纺丝操作。当CaO含量为32.46%时,粉煤灰熔点最低,且降温过程中无晶体析出,因此,在粉煤灰基无机纤维制备过程中应选择钙基助剂调控熔融性和结晶行为。     

O2/CO2燃烧气氛对混煤灰中矿物质间反应影响研究

对蒙煤与平七煤两种单煤及其按照不同比例组成的混煤,分别在O₂/CO₂和O₂/N₂气氛下,采用管式炉燃烧制取灰样;对灰样进行灰熔点、XRD及同步热分析（TG/DSC）测试,并进行相关热力学计算,分析了O₂/CO₂燃烧方式对混煤灰中矿物质间反应的影响。结果表明,常规灰熔点测试方法测得的两种气氛下的混煤灰熔点没有明显差别。O₂/CO₂气氛促进了煤灰/混煤灰中钙的碳酸化,且明显抑制了高温下CaCO₃的分解。气氛的改变影响了含钙矿物的转化,进而影响了混煤中钙与莫来石反应生成低温共熔物;O₂/CO₂气氛下钙更易于与莫来石发生反应生成低温共熔物,从而会增加结渣倾向。当混煤中蒙煤比例达到或大于75%时,随着蒙煤比例的逐渐增加,莫来石含量减少,O₂/CO₂气氛对钙与莫来石之间的反应影响减弱,但对含铁矿物的影响更加明显,使其更易于生成含铁玻璃体,从而也会增加结渣倾向。     

K~+、Na~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)对胜利褐煤平衡复吸水的影响

以胜利褐煤为研究对象,利用FT-IR等手段,用灰分、不同湿度下的平衡复吸水含量等,系统研究了不同相对湿度下K+、Na+、Ca2+、Mg2+的水合作用对胜利褐煤平衡复吸水含量的影响。结果表明,相同浓度不同类型的金属离子与煤样的交换能力的趋势为Ca2+Na+K+Mg2+。金属离子对胜利褐煤平衡复吸水含量影响力的顺序为Mg2+Ca2+Na+≈K+。相对湿度高时,平衡复吸水含量的主要控制因素为游离水分子之间的分子作用力;相对湿度中等时,平衡复吸水含量的主要控制因素为金属水簇与毛细管之间的毛细管作用力;相对湿度低时,平衡复吸水含量的主要控制因素为金属离子的水合作用。     

煤灰熔融特性与灰成分之间关系的矿物变化研究

通过在一种真实煤灰中添加不同的氧化物或直接用氧化物配制合成灰,探究了不同灰成分对灰熔融特性的影响规律。利用Fact Sage 7.0对不同灰分的熔融过程进行了热力学模拟,通过熔融过程中的矿物质变化为各种灰成分对熔融特性的影响规律提供理论依据。结果表明,氧化钠对灰熔点的降低作用源于钠长石和霞石对钙长石的取代;氧化镁含量的增加对灰熔点起先降低后升高的作用,当氧化镁含量超过一定时,产生的镁橄榄石能够升高灰熔点;硫对灰熔点的升高作用源于镁橄榄石和硫酸钙对透辉石的取代;氧化钙含量的增加对灰熔点起到先降低后升高的作用,当氧化钙含量超过一定时,硅从熔点较低的矿物质迁移到熔点较高的矿物质中,升高了灰熔点。在与硅氧单元体结合的过程中,氧化钠优先于氧化钙;与氧化钙和硅氧单元体结合的氧化物的优先级为:氧化铝氧化镁氧化铁。     

高温气化条件下Na_2O对煤灰中矿物质演化行为的影响

利用XRD和FT-IR考察了高温弱还原气氛下Na_2O对两种硅铝含量不同的煤灰中矿物质组成的影响,揭示了Na_2O影响煤灰熔融特性的本质。通过Fact Sage计算了高温下矿物质反应的ΔG,探讨了Na_2O影响煤灰中矿物质组成的机理。结果表明,Na_2O对煤灰矿物质组成的影响与原煤灰的硅铝含量密切相关。硅铝总含量82.89%的煤灰,Na_2O含量为5%-20%时,钠长石和霞石的生成是煤灰熔融温度降低的主要原因;当Na_2O含量大于20%时,导致煤灰熔融温度降低的原因是霞石的生成。硅铝总含量47.85%的煤灰,Na_2O含量小于10%时,没有含钠矿物质生成;当Na_2O含量大于10%时,主要生成菱硅钙钠石、青金石和含钠的硅铝酸盐矿物,导致煤灰熔融温度降低。Fact Sage计算表明生成含Na矿物质反应的ΔG较小,其在高温下更容易发生。     

负载碳酸钠煤焦催化气化反应特性研究

基于热重分析仪开展负载碳酸钠神府烟煤/遵义无烟煤煤焦气化实验,并借助扫描电子显微镜和孔结构及比表面积分析仪表征焦样孔结构及表观结构变化,考察了反应温度(650-800℃)、气化剂(水蒸气、二氧化碳)及碳酸钠负载量(钠离子负载量2.2%、4.4%、6.6%,质量分数)对神府烟煤/遵义无烟煤焦样气化反应活性的影响。结果表明,碳酸钠有利于促进神府/遵义煤热解过程孔隙结构的发展。在二氧化碳气氛下,适宜催化剂负载量使神府烟煤反应活性提高,过多负载催化剂堵塞煤焦内部孔隙结构,使得气化反应活性降低,遵义无烟煤反应活性随负载量增加而提高,两者反应活性均随温度升高而提高。在水蒸气气氛下,神府烟煤/遵义无烟煤在一定条件下反应活性随催化剂负载量增大、温度升高而提高。碳酸钠的添加能够在保证气化反应性的前提下降低气化反应温度和活化能。     

煤矸石催化气化耦合气化灰提铝过程中K2CO3和Na2CO3作用的对比研究

以煤矸石为研究对象，对比研究了Na₂CO₃与K₂CO₃对煤矸石催化气化反应性及催化气化灰中Al的溶出行为的影响。同时，采用X射线衍射分析（XRD）和热重分析（TGA）研究了不同催化剂及温度作用下矸石中矿物质的热转变过程。结果表明，与K₂CO₃相比，煤矸石中的高岭石更容易与Na₂CO₃反应生成钠霞石，而酸浸可实现钠霞石中铝和硅元素的有效分离。此外，Na₂CO₃作为催化剂时，所得气化灰经盐酸浸取后铝的浸出率可达到94.2%。而K₂CO₃作催化剂时，其铝的浸出率只有83.7%。因此，对矸石催化气化耦合气化灰的铝提取来说，Na₂CO₃催化剂具有更好的选择性。     

燃烧与催化气化灰中铝溶出行为的研究

实验对比了燃烧灰与负载Na_2CO_3催化气化灰中Al的溶出行为,考察了Na_2CO_3负载量(0-15%,质量分数)和温度(600-1 000℃)对催化气化灰中主要矿物组成与Al溶出行为的影响。同时,采用XRD分析了燃烧灰、催化气化灰以及酸浸残渣的主要组成。结果表明,燃烧灰的主要组成为莫来石,而催化气化灰的主要组成为硅铝酸钠((Na_2O)_(0.33)NaAlSiO_4)。6 mol/L硫酸、60℃和30 min浸取条件下,燃烧灰的浸出率只有40%,而Na_2CO_3负载量为10%的催化气化灰的浸出率达到88%。催化气化灰更易于回收灰中的Al。     

低温共熔物对煤灰熔融温度影响的研究

以中国中西部地区59个典型煤样为研究对象,研究了熔融温度与煤灰中常见低温共熔物和除低温共熔物以外的化学组分的关系,分析了软化温度高于等于1 500℃时煤灰的化学组成。提出将低温共熔物等引入回归分析中,合理对煤灰化学组分进行分组,拟合得到了预测煤灰熔融温度的计算式,计算式兼顾了矿物组成和化学组成对熔融温度的影响,对108种煤样进行预测,90%预测值误差小于5%,在1 300-1 400℃,预测值误差小于2.4%。同时,提出了判断煤灰软化温度不低于1 500℃的充分必要条件:0.9≤Si O2/A12O3≤1.8且Si O2+A12O3≥78%,167种煤样中154种煤样可以用该判据进行准确判断,准确性为92.2%。     

煤灰/K_2CO_3/Fe_2O_3对脱矿无烟煤燃点与燃烧速率的影响(英文)

考察了煤灰/K2CO3/Fe2O3及其之间的相互作用对酸洗无烟煤燃点和燃烧速率的影响。不同温度下制备的煤灰显示了不一样的性质(如化学组成、颜色和形貌)。脱矿无烟煤(负载和非负载催化剂)的燃烧反应性测试在热重分析仪(TGDTG)中完成,结果表明,煤灰本身对酸洗无烟煤的燃点几乎没有影响,而高温下制备的煤灰能够明显提高酸洗无烟煤的燃烧速率。当煤灰和K2CO3或者Fe2O3的混合物加入酸洗无烟煤中作为燃烧催化剂时,可以看出与单独使用K2CO3或Fe2O3相比,煤灰的加入明显导致酸洗煤的燃烧速率下降,而对其燃点影响不大。同样,K2CO3和Fe2O3之间的相互作用也能够对酸洗无烟煤的燃烧速率产生负面影响。     

煤灰对玉米秸秆焦气化过程中固钾及其灰熔融性的研究

在管式炉中,研究了煤灰对玉米秸秆焦在不同气化条件下钾的固留率和灰渣熔融性的影响。采用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)、X射线衍射(XRD)以及灰熔点测定仪等检测表征手段对气化灰渣中的钾元素含量、矿物质组成以及其熔融点进行了分析。实验以高岭土为参考,研究发现,煤灰如同高岭土具有一定的固钾能力,且随着添加量的增加钾固留率呈现增加的趋势,同时灰渣熔点也得到了提升。灰渣产物的XRD组成分析表明,挥发至气相中的钾以及灰渣中以熔融态存在的钾盐与煤灰中的硅铝化合物反应生成了高熔点的KAlSi_3O_8、KAlSi_2O_6和KAlSiO_4,从而达到固钾的效果并提升了灰渣的熔点。