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。     

高硅煤燃烧过程中矿物转化及重金属分布规律研究

选取云南宣威地区高硅煤,对其在燃烧过程中矿物转化特征及重金属分布富集规律进行了研究。高硅煤中的矿物主要由石英、高岭石、黄铁矿和锐钛矿组成。飞灰中莫来石可能来自煤中石英、高岭石的转变,而石英主要来自煤中原始石英组分或由SiO₂-Al₂O₃系统转化形成。分析高硅煤和高硅飞灰中部分重金属的富集特性,发现高硅煤中富集的元素有Cr、Cu和As,电厂ESP各级电场中富集的重金属有M o元素,而Se元素在高硅煤和飞灰中分别都低于世界煤和飞灰的平均值。放射性元素Th和U含量在细粒径的高硅飞灰中都高于世界煤灰平均值,在ESP的4电场飞灰中富集系数分别为1.51和1.59。     

污泥化学链燃烧过程中氮迁移转化特性研究

在单流化床反应器上探究了污泥化学链燃烧过程中氮迁移转化特性。由于赤铁矿载氧体反应活性低,采用30%水泥对其改性。结果表明,水泥改性可提高污泥热解气化反应速率以及赤铁矿还原反应速率,进而提高污泥碳转化率,但是NO生成率也增加。随着反应温度的升高,污泥的碳转化率和NO生成率均增加。另外,随着水蒸气浓度的增加,碳转化率增加,同时可降低NO生成。在污泥化学链燃烧过程中,NO生成率为0.286%-0.768%,低于污泥空气焚烧氮氧化物排放量。     

煤中微量元素在燃烧过程中的变化

在分析微量元素燃烧过程中迁移变化机理的基础上,对电厂用煤和煤灰进行了采样测试,分析了电厂燃煤过程中微量元素的析出变化及在各种灰中的分布富集规律,同时用五个不同的温度段分别对煤进行了燃烧实验,研究了在不同温度下,微量元素从煤中析出的浓度和析出率,通过实验分析,。多数有害微量元素在飞灰中的富集浓度高于其它灰中,燃烧时温度的高低是影响微量的高低是影响微量元素迁移析出的重要因素,温度越高,有害微量元素析出率相对越大。     

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。     

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。     

煤中砷与硫洗选过程迁移和燃烧过程释放特性

以宁武煤田两个洗煤厂原煤及洗选产物为研究对象,采用微波消解与氢化物发生-原子荧光光谱相结合方法考察了洗煤过程硫和砷迁移规律,采用砷质量平衡验证的逐级化学提取法探讨了原煤、精煤、矸石、洗中煤和煤泥燃烧后硫和砷形态转化与释放特性及其依赖性。原煤中20%-28%硫和砷迁移至精煤中,46%-61%迁移至矸石中,Pearson相关系数结果表明,样品中无机矿物质是硫和砷迁移的控制因素。精煤中有机硫和砷提高至30%-50%,而矸石中无机硫和砷占比达90%以上,说明原煤及洗选产物中砷与硫赋存形态具有一定相关性。精煤中较多的有机硫和砷在500℃以下伴随水分和挥发分析出呈现明显释放特征,矸石中以无机态为主的砷则主要在500-1000℃伴随黄铁矿和硫酸盐等矿物质分解与硫一起释放,体现了原煤及洗选产物燃烧时硫与砷释放的同步性。精煤中硫和砷释放速率最快,300和200 s分别达到最大释放率80%-95%和60%-75%;矸石中最慢,300 s时砷达到最大释放率40%-45%,而硫600 s时仍未达最大释放率;洗中煤和原煤介于精煤和矸石之间,样品燃烧时硫和砷赋释放速率差异是由其固有赋存形态差异所致。     

中国煤中铍的分布赋存特征研究

根据对中国不同矿区1018个煤层煤样和生产煤样铍含量数据的统计结果,分析了中国不同成煤时代、不同聚煤区煤中铍的分布特征。同时,根据对10个不同煤田煤样的实验室浮沉试验、煤岩分析等试验研究,运用Solari方法,计算了煤中各组分中铍的理论含量,讨论了中国煤中铍的赋存特征,尤其是铍在各种煤岩组分中的分布。研究表明,铍在煤中富集程度较高,但相对于世界煤中平均水平来说,中国煤中铍含量总体水平较低。煤中铍主要赋存于惰质组及伊利石粘土矿物中,在镜质组及其它矿物中含量较低。同时,中国大多数煤中铍的有机亲和性指数较高,不利于选煤过程中铍的脱除。     

煤颗粒燃烧的孔隙特性研究

以实验为基础,系统研究了典型煤种燃烧时的颗粒孔隙过程。采用低温吸附法和电子显微图像计算机法测量了煤燃烧过程中的颗粒孔隙,获得了颗粒孔径分布和孔形分布等孔隙特性,建立了煤颗粒燃烧的微孔效应和亚微孔效应理论。     

淖毛湖煤加氢液化过程杂原子迁移转化研究

以淖毛湖煤为原料,进行加氢直接液化,考察了加氢温度与转化率和油收率的关系,并解析了加氢条件下煤中硫、氮和氧的迁移转化特性.结果表明,淖毛湖煤具有良好的液化性能,400?℃和2?MPa氢初压条件下即可达到69.6％的转化率和55.3％的油产率.结合气相色谱质谱联用(GC-MS)和气相色谱-原子发射光谱?(GC-AED)等...     

煤燃烧过程生成氮氧化物前驱体的研究

对煤中氮在燃烧条件下生成NOx前驱体（HCN、NH3）进行了研究。实验采用石英玻璃管流化床反应系统，测定了神木煤、澳大利亚烟煤、澳大利亚褐煤在400 ℃～900 ℃HCN、NH3的生成，用离子色谱测定了HCN、NH3的生成量，用差热分析测定了三种煤的燃烧峰温及起始燃烧温度。实验结果表明，在燃烧条件下煤中氮转化为HCN、NH3的比例很高，这一释出过程伴随着煤燃烧过程而发生; 在400 ℃～500 ℃燃烧时HCN、NH3的生成量占煤中总氮质量分数的50%～70%,无论是煤挥发分还是半焦中的氮都在此条件下转化生成了HCN、NH3, 这一实验规律与热解条件的实验结果不同。煤样在更高的温度下燃烧（>700 ℃）时，气体产物中的HCN、NH3的质量分数很少，这是HCN、NH3进一步氧化生成了NOx的缘故。     

煤炭解耦燃烧过程N迁移与转化Ⅰ:热解阶段煤N的释放规律

在固定床装置上进行了三种煤的热解实验,考察了热解温度、热解时间等因素对煤氮迁移转化的影响。热解实验表明,A煤1 073 K热解产生HCN,在热解前3 min释放完毕,早于NH₃释放,且当NH₃开始逸出后HCN生成量急剧减少;三种煤热解HCN、NH₃的累积释放量在不同时刻达到各自最大值后急剧下降;半焦氮随热解温度的升高而增加。在973~1 123 K三种煤热解有50%~60%煤氮转化为焦氮,40%~50%煤氮随挥发分一起释放,挥发分氮有20%~50%的氮物种以NH₃和HCN的形式存在,其中,HCN占气相氮的50%~60%、NH₃占40%~50%。     

预测混合煤燃烧性能的数学模型

用热重分析法研究了单种煤的DTG和TG曲线特征，建立了预测混合煤燃烧性能的数学模型。结果表明，各单种煤的DTG曲线呈单峰，峰值温度tmax与其燃料比F的对数呈线性相关关系，tmax=68.86 ln（F）+512.2 （℃）。由组成混合煤的单种煤的燃料比F可推断出混合煤的DTG曲线特征，从而预测混合煤的燃烧性能。如果混合煤的煤质指标满足标准煤的煤质指标要求，则当Fmax/Fmin≤3.20时，混合煤的燃烧性能好；当3.205.71时，混合煤的燃烧性能较差。     

煤中矿物质对燃煤污染物排放特性的影响

利用热分析和X射线光电子能谱（XPS）研究了煤中矿物质在燃烧过程中对煤中氮与硫的排放特性的影响。结果表明,铜川煤中的可溶性矿物质如硫酸盐、碳酸盐等对NO排放有促进作用,当将这类可溶性矿物质从煤体中除去后,煤的NO排放量下降;铜川煤中的矿物质对SO2的排放有抑制作用,当这类碱性成分被脱除后,单位质量可燃硫的SO2排放量升高。     

Environmental effects of coal combustion

First an introduction is given about the environmental effects of coal combustion. Then the thermoanalytical research in this field is reviewed. Modern topics are the catalytic reduction of NO_x in exhaust-gases and the development of regenerative sulfur capture sorbents for use in fluidized-bed coal combustion.

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Zusammenfassung Es wird zuerst eine Einführung über die Umwelteinflüsse auf die Kohleverbrennung gegeben. Dann folgt ein überblick über die thermoanalytische Forschung auf diesem Gebiet. Moderne Themen sind dabei die katalytische Reduktion von NO_x in Auspuffgasen und die Entwicklung von Schwefel-Sorptionsmitteln zur Verwendung bei der Flie\bett-Kohleverbrennung.

     

纳米碳酸钙微观特征及其促进燃煤脱硫特性研究

为了研究纳米碳酸钙和纳米添加剂在促进燃煤脱硫中的特性,在ZCS-1智能测硫仪中进行纳米碳酸钙脱硫实验研究。结果表明,在炉温900℃、钙硫比为2的条件下,脱硫效率高达90%;1 150℃时达到50%以上。三种纳米碳酸钙的脱硫效果明显好于普通碳酸钙。研究还表明,粒径越小,脱硫效果越好;不同煤种对脱硫效率有较大影响,主要和煤中硫分的含量和硫的分布形态有关;温度是决定脱硫效果的主要因素,900℃下效果最好,超过1 100℃后效果明显下降。SEM和BET分析结果表明,纳米碳酸钙促进脱硫主要是由于其较为丰富的孔隙结构。添加纳米Al2O3和纳米ZnO都能在一定程度上促进纳米碳酸钙脱硫。其中,纳米Al2O3的效果较好,1 150℃能使脱硫效率提高20%左右,达到62%以上。     

添加剂对燃煤电石渣固硫的促进作用

在煤的燃烧过程中采用钙基固硫技术脱除SO2等气体污染物,是实现煤高效清洁燃烧的有效措施之一。传统钙基固硫剂价格低廉,但普遍存在固硫剂利用率低,固硫反应速率与硫析出速率不一致,以及高温下形成的固硫产物易于分解等缺点。研究表明,在钙基固硫剂中掺入微量添加剂可以有效提高钙基固硫剂的固硫率。添加剂主要起两大作用,一是对煤的燃烧过程有助燃和促进作用,提高钙基利用率;二是在燃烧过程中形成耐热稳定的物相或熔融物相包裹固硫物相,从而抑制固硫物相的分解,阻止SO2的排放。     

不同煤燃烧方式降低NOx排放比较及解耦燃烧应用

采用两段反应器研究了三种煤在不同燃烧方式下抑制NO_x生成的效果。结果表明,煤的热解气和部分气化生成气再燃均能较好的抑制NO_x生成,抑制效果优于空气分级燃烧,解耦燃烧方式抑制NO_x生成的效果最显著,相对于传统燃烧其NO_x排放降低了32%以上。煤种对各种燃烧方式降低NO_x的程度有明显影响,煤中单位氮含量的燃料比(固定碳/挥发分)越小,煤的热解气和部分气化生成气再燃以及解耦燃烧方式下NO_x的排放量越低。在煤部分气化生成气再燃烧方式中,部分氧化气化段通氧量不同,降低NO_x排放的效果也不同,在氧气体积分数为8%~10%时的NO_x生成量最低。基于解耦燃烧技术原理,研制了1.4 MW解耦燃烧工业锅炉,在燃烧同一煤种时,解耦燃烧锅炉和传统立式锅炉相比,烟气中NO_x排放量降低了32.9%。     

煤燃烧过程中砷与氮氧化物的反应机理

应用量子化学密度泛函理论B3LYP方法,研究了砷与氮氧化物(N_2O、NO_2和NO)的反应机理。全参数优化了各反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型,通过频率分析证实中间体和过渡态的真实性,并通过内禀反应坐标(IRC)计算以进一步确定过渡态。为了得到更精确的能量信息,在B2PLYP水平下计算各结构的单点能,并通过动力学参数深入分析其反应机理。结果表明,砷与三种氮氧化物(N_2O、NO_2和NO)的反应能垒分别为78.45、2.58、155.85 k J/mol。在298-1800 K,各反应速率随温度的升高而增大。由于砷与NO_2的反应能垒较低,其反应速率大于1012cm3/(mol·s),说明该反应容易发生且速率极快。砷与N_2O和NO的反应,在298-900 K,反应速率随温度的升高明显增加;当温度进一步升高,其增加的趋势有所减缓。