工业、生活污泥与煤混合燃烧的灰熔特性研究

针对煤粉锅炉掺烧污泥后污泥对混合燃料灰熔特性的影响行为,利用矿物三元相图、XRD等分析手段,研究了不同特性污泥(生活污泥、工业污泥)与煤掺混燃烧过程中不同矿物组分的相互作用机制及灰渣的灰熔融特性变化特征。结果表明,三元相图能够有效预测煤和污泥掺混后灰熔融温度的变化趋势;低含量的氧化铁形成低温共熔体以及透辉石、钙长石会降低煤和污泥混合后的灰熔融温度;而钙镁橄榄石、莫来石和单体形式存在的氧化铁能提高煤和污泥混合后的灰熔融温度。工业污泥中的高硫组分在混烧过程中易形成硫酸盐的低温共融体。生活污泥中磷对灰熔点的影响与氧化铝及碱金属的比例有关,当氧化铝的含量占主要成分时,磷的存在趋向于降低灰熔点,而当碱金属占主要成分时,磷的存在趋向于提高灰熔点。     

灰中酸性成分对灰熔融温度的影响

搜集并统计了世界129种典型煤种、城市污水污泥及污泥/煤混烧灰样的灰成分及灰熔融特征温度等相关数据,研究灰中酸性成分SiO2、Al2O3、TiO2和P2O5对灰熔融特性的影响。结果表明,Al2O3是决定灰熔点的主要因素,酸性金属氧化物SiO2、Al2O3和TiO2形成的耐熔矿物质石英、偏高岭石、莫来石、金红石等可提高灰熔点。非金属氧化物P2O5与污泥和污泥/煤的灰熔点FT二次拟合很好且明显降低熔点,污泥灰中P2O5含量显著高于煤灰是导致其熔点明显低于煤的重要原因。     

污泥对神府煤灰熔点的影响

研究了神府煤（A）、污泥（W1）、改性污泥（W2）以及煤污泥混合物（AW1、AW2）的灰熔融特性,发现W1、W2分别加入神府煤中可以不同程度地降低煤的灰熔点。W1添加30.74g时,污泥煤灰的熔融温度降到最低,流动温度（FT）降幅程度达到63℃;W2加量为51.23g时,FT降低82℃。通过XRD分析了煤、污泥及混合物中的矿物质组分,并比较了AW1、AW2混合灰在不同特征温度下矿物质的形态演变。结果表明,W1加入A中后,生成了新的矿物质氯磷灰石,并且降低了石英、硬石膏、赤铁矿这三种主要矿物质的转化温度,从而降低了煤的灰熔点;W2降低煤灰熔点的主要原因在于W2中有大量的金属钠离子,混合灰在不同特征温度下主要发生钠类矿物质的转变。     

不同灰化温度下生物质混煤灰的烧结特性研究

选取晋城无烟煤和麦秆作为研究对象,利用压差法烧结温度测定装置测量不同灰化温度下煤和麦秆混合灰的烧结温度,再利用SEM-EDS以及XRD对灰样进行烧结特性分析。结果表明,不论灰化温度高低,随着麦秆的添加,煤和麦秆混合灰的烧结温度都呈现降低趋势,其降低幅度略有差别。灰化温度较低时,煤和麦秆混合灰的烧结温度低于灰化温度较高情况下混合灰的烧结温度。SEM-EDS分析表明,低温灰化得到的样品中出现较多不规则的纤维结构;较高温度下获得的灰样中出现较多致密的球状颗粒,这表明矿物质发生熔融形成球状颗粒。XRD分析表明,低温灰化烧结后的煤和麦秆混合灰样中因含有较多的含钾等碱金属系助融矿物质,导致混合灰样的烧结温度降低。然而,像钙长石等含钙矿物质本身具有较高的熔点,因此,在1 100℃时混合灰样具有较高的烧结温度。     

配煤和助熔剂降低煤灰熔融温度的矿物学特性研究

主要研究添加助熔剂或配煤降低晋城无烟煤的灰熔融温度。通过X射线衍射(XRD)、热力学计算以及灰熔点测试等手段,研究混煤灰熔融特性及其在变形温度时的矿物学特征,解析其结渣特点。结果表明,原煤灰含量越低,混煤灰熔点降低效果越明显。在配煤添加量为20%时,低灰煤C灰熔点降低趋势最明显,对于高灰煤G,则为30%;助熔剂K对C的灰熔点降低效果比对G的更明显。在混煤灰的变形温度处,出现了长石类矿物质。长石类矿物含量的上升和莫来石含量的下降促使灰熔点快速降低。热力学计算表明,高温下,煤灰中液相物质的产生伴随着钙长石和石英含量的快速下降以及莫来石含量的缓慢降低。钙长石参与了煤灰中液相物质的产生。能够与钙长石作用形成低熔点共熔体的物质的含量决定了它的助熔效果。     

磷对泥/煤混燃灰熔融特性的影响及矿物相演变规律

采用灰熔点仪、X射线荧光仪(XRF)研究了无机非金属P2O5对城市污水污泥与烟煤的混烧灰熔融特性的影响,利用X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)研究在各混烧温度下灰中含磷矿物在晶体和非晶体间的演变。结果表明,对于Al_2O_3含量较多且熔点较高的灰样,磷含量的增加可显著降低其灰熔点,P2O5含量在0-4%时影响最大,使其灰熔点降低126℃;但对碱性含量高的灰样的影响较小。低温灰中主要以磷酸铝(AlPO_4)晶体为主,温度升高后,与硬石膏(CaSO_4)等含钙矿物和赤铁矿(Fe_2O_3)反应生成晶体Ca_3(PO_4)_2和玻璃相(Fe_2O_3)_(0.252)(P_2O_5)_(0.748),磷含量增加可使灰中玻璃相(Fe_2O_3)_(0.252)(P_2O_5)_(0.748)增加,是磷降低灰熔点的主要原因。     

弱还原气氛下水稻秸秆对晋城无烟煤的助熔机理

以高灰熔点的晋城无烟煤和水稻秸秆为研究对象,通过CaO-Al_2O_3-SiO_2三元相图、X射线衍射分析(XRD)和扫描电镜耦合X射线能谱分析(SEM-EDX)研究了弱还原气氛下水稻秸秆对晋城无烟煤的助熔机理。随着水稻秸秆添加比例的增加,灰熔融特征温度呈下降趋势,灰中碱性氧化物CaO、Na_2O和K_2O含量增多,结渣指数Rb/a值在0.20-0.69;当水稻秸秆添加量为20%(质量分数)时,流动温度(FT)降低至1 369℃,可满足气化炉液态排渣的要求;水稻秸秆的添加降低了灰中液相出现的温度,增加了液相物质出现的比例和几率,使灰更易发生熔融;混合灰中所形成的钠长石等低熔点矿物质以及钙长石、石英和莫来石所形成的低温共熔物导致灰熔点降低。     

长治煤与生物质混合灰熔融特性研究

采用灰熔点测定仪、X射线荧光仪、X射线衍射仪和Fact Sage软件相结合对生物质(花生壳、稻壳)与高灰熔点长治煤混合灰的熔融特性及其熔融机制进行了研究。结果表明,两种生物质灰都可以降低长治煤的灰熔融温度,花生壳灰助熔效果优于稻壳灰,这主要与它们的化学组成和赋存形态有关。低熔点长石类矿物(钙长石、钠长石)和白榴石的生成是花生壳与长治煤混合灰熔融温度降低的主要原因;长石类矿物的生成及其与SiO_2结合生成的低温共熔物引起稻壳与长治煤混合灰熔融温度降低。热力学计算表明,在碱性氧化物Na_2O、CaO、K_2O存在时,SiO_2和Al_2O_3优先与其反应生成低熔点硅铝酸盐,一定程度上抑制了高熔点莫来石矿物的生成,从而起到助熔作用。混合灰的熔融过程可以分为含钾矿物熔融和含钙矿物熔融两个阶段,两类矿物熔融顺序:含钾矿物先于含钙矿物。     

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。     

长治煤与生物质混合灰熔融特性研究

采用灰熔点测定仪、X射线荧光仪、X射线衍射仪和FactSage软件相结合对生物质（花生壳、稻壳）与高灰熔点长治煤混合灰的熔融特性及其熔融机制进行了研究。结果表明,两种生物质灰都可以降低长治煤的灰熔融温度,花生壳灰助熔效果优于稻壳灰,这主要与它们的化学组成和赋存形态有关。低熔点长石类矿物（钙长石、钠长石）和白榴石的生成是花生壳与长治煤混合灰熔融温度降低的主要原因;长石类矿物的生成及其与SiO₂结合生成的低温共熔物引起稻壳与长治煤混合灰熔融温度降低。热力学计算表明,在碱性氧化物Na₂O、CaO、K₂O存在时,SiO₂和Al₂O₃优先与其反应生成低熔点硅铝酸盐,一定程度上抑制了高熔点莫来石矿物的生成,从而起到助熔作用。混合灰的熔融过程可以分为含钾矿物熔融和含钙矿物熔融两个阶段,两类矿物熔融顺序：含钾矿物先于含钙矿物。     

固体添加剂对垃圾掺烧污泥焚烧飞灰高温过程中重金属挥发特性的影响

在研究垃圾与污泥掺烧后焚烧飞灰中重金属浸出特征的基础上,重点研究了飞灰在1 000 ℃条件下高温处置过程中重金属(Cu、Zn 、Pb、Cd)随不同停留时间的挥发特性及添加剂(CaO、Al₂O₃、SiO₂、高岭土、粉煤灰)对重金属转化与挥发特性的影响。研究结果表明,飞灰中重金属Zn、Pb、Mn含量较高,Ni的含量较低,而毒性较大的Cd达到29.4 mg/kg。浸出液中七种金属都满足危险废物鉴别标准(GB5085.3-1996),并且重金属的浸出浓度受浸取时间及浸取液pH值影响较大。在同样的高温处置条件下,焚烧飞灰中不同重金属的挥发特性有较大的差别。其中,Pb表现出易挥发的特性,其挥发率超过80%,而Cu挥发性较小,其挥发率小于30%。综合来看,飞灰中重金属的挥发性大小依次为Pb>Cd>Zn>Cu。飞灰中添加Al₂O₃和高岭土可以抑制Cd的挥发,添加Al₂O₃后Pb的挥发率有所减少,添加SiO₂、CaO、高岭土、粉煤灰均使Zn的挥发率降低,而对Cu的挥发率没有抑制作用,这与飞灰中高Cl含量及各痕量元素化合物对固体添加剂活性位选择性的竞争吸附有关。     

CO_2含量对污泥再燃还原NO的影响研究

在模拟水泥分解炉的实验台架上研究CO_2浓度(体积分数0-35%)对污泥再燃还原性气体析出特性及其对污泥与污泥焦还原NO反应的动态变化规律的影响。结果表明,污泥再燃产生的还原性气体主要为HCN、NH_3、CH_4及CO;当CO_2浓度从0增加到25%时,由于CO_2与污泥焦气化作用增强,导致HCN、NH_3及CH_4的析出量缓慢下降,而CO析出量显著增加,最终促进NO还原率从51%增加至61%;继续增加CO_2浓度至35%,由于CO_2的辐射吸收导致局部热不稳定性增强,气化作用的减弱导致CO析出量下降,且HCN析出量有较大幅度下降,NH_3析出量变化不大,CH_4析出量有一定幅度上升,综合影响使得NO的还原率逐渐下降至55%。研究表明,实验室条件下污泥再燃能较高效地对烟气中NO进行还原;机理研究表明,污泥再燃过程中同时存在对NO的气气均相还原反应和气固异相还原反应,实验确定污泥焦对NO的气固异相还原率仅为18%,因此,污泥脱硝以气气均相还原反应为主。     

配煤对高熔点煤灰熔融特性影响的研究

采用灰熔点较低的襄阳煤和灰熔点较高的晋城无烟煤组成的混合煤样,利用XRF、SEM、DSC、XRD、三元相图等分析方法,探究了襄阳煤对晋城无烟煤煤灰熔融温度的影响。结果表明,配煤能有效降低高熔点煤灰的熔融温度,当襄阳煤的加入量小于24%时,混合煤灰熔融温度显著降低;襄阳煤的加入量在24%-40%时,混合煤灰熔融温度变化平缓且流动温度低于1 400℃。混合煤灰中的成分在1 000-1 200℃发生一系列的化学反应,主要包括SiO_2与Al_2O_3结合产生高熔点物质莫来石以及Fe_2O_3、CaO与莫来石反应转化形成铁尖晶石、钙长石等新物质,由此造成了煤灰熔融温度的变化。基于BP神经网络对实验数据建立预测模型,其预测效果优于前人总结的经验公式,平均准确度高于99%。利用热力学软件HSC 5.0分析了CaO、Fe_2O_3对降低煤灰熔融温度的影响,分析表明,CaO对莫来石的转化作用优于Fe_2O_3。     

基于水泥修饰的赤铁矿载氧体污泥化学链燃烧特性研究

采用水泥修饰赤铁矿来提高载氧体的反应活性。实验在1kW_th串行流化床上进行,研究了添加水泥对污泥化学链燃烧特性的影响,考察其长期运行的物化性能。结果表明,在实验工况下,赤铁矿添加水泥后,出口的未燃气体浓度明显下降。燃料反应器温度低于870℃时,水泥的添加使污泥的碳转化率和燃烧效率显著升高。在10h长期运行后,一部分污泥灰沉积在载氧体表面。虽然在反应过程中部分的Fe₂O₃被深度还原,但在长期运行中未出现流化问题和烧结现象。     

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。     

添加剂对高碱煤钠迁移和灰分烧结温度的影响

选取三种不同的添加剂（高岭土、SiO₂和Al₂O₃）,研究它们对高碱准东煤钠迁移和灰分烧结温度的影响,并且添加比例为1%-5%。结果表明,三种添加剂的钠捕集效率依次为：高岭土 > SiO₂ > Al₂O₃。钠捕集效率随着添加比例的增加而升高,但受温度影响比较复杂。高岭土的钠捕集效率在600-1000℃先增加后减小,并在900℃达到最大值,其余两种随温度的升高均减小。准东煤灰的烧结温度为803℃,添加高岭土后,烧结温度随添加比例的增加先降低后上升。当添加比例为3%时,因为钙长石和钙黄长石的低温共熔反应而达到最小值。SiO₂的添加比例为5%时,由于透辉石的生成和SiO₂本身的"骨架"作用,烧结温度迅速升高到879℃。Al₂O₃对烧结温度的影响最小。     

晋城粉煤煤灰不均匀熔融规律研究

提出了煤灰不均匀熔融概念,有助于解决灰熔融性测定结果和锅炉实际情况不符的问题。采用山西晋城煤,将其粉磨到工业煤粉细度,通过浮沉分成不同密度级别子样,使用灰锥法测定其在弱还原气氛下的熔融温度,使用压降法测量其烧结温度,采用XRD、XRF、SEM-EDX等分析手段对灰样的不均匀熔融现象进行机理研究。结果表明,晋城煤灰软化温度为1501℃,而不同密度级别子样发生分化,软化温度从1292℃到高于1600℃变化;同样,晋煤煤灰烧结温度为885℃,子样的烧结温度从833到943℃变化。机理研究表明,不同密度级别子样Al₂O₃、Fe₂O₃和SO₃含量发生不均匀分布,是造成煤灰熔融特性和烧结特性差异的根本原因。