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。     

五彩湾煤灰的烧结特性及不同添加剂的影响规律

采用热机械分析仪、高温热台显微镜、XRD及FactSage软件相结合的方法,研究了五彩湾煤灰的烧结特性及不同添加剂的影响规律。结果表明,沙子(SiO_2含量约为80%)和煤矸石(SiO_2含量为54%,Al_2O_3含量为42%)能改变煤灰的烧结特性(烧结温度和烧结速率),但不同添加剂改变的程度不同。添加10%的沙子能使烧结温度提高70℃,而0-15%煤矸石不能使烧结温度升高。此外,烧结速率随添加剂增多而减小,烧结区间随添加剂增多而延长。进一步研究表明,添加剂能够改变煤灰初始液相温度、组成、含量、煤灰中硫酸盐的分解温度及初始液相温度从而改变煤灰的烧结特性。     

水蒸气气化条件下碳酸钾对煤灰烧结和矿物质演化的影响

在水蒸气气化气氛(水蒸气-氢气-一氧化碳-二氧化碳混合气氛)下考察了反应压力对负载碳酸钾煤灰烧结温度的影响,建立了包含煤的灰分、煤灰化学组成、催化剂负载量及反应压力因素的煤灰烧结温度预测关系式,预测结果与实测烧结温度的误差在±15℃(2%)范围内。利用X射线衍射仪和Fact Sage热力学计算软件对不同气氛和压力下煤灰中的矿物组成及含量的变化规律进行了分析。结果表明,碳酸钾与煤灰中的硬石膏、方解石反应生成硫酸钾和碳酸钾钙;水蒸气气化气氛下硫酸钾和赤铁矿被还原,碳酸钾钙的分解温度随反应压力的增大而升高;负载催化剂煤灰中氢氧化钾的量随温度和压力的提高而增加,不同压力下煤灰的最低烧结温度与氢氧化钾的含量有关,当氢氧化钾的含量达到一定值时,不同压力下对应的温度与实验测得的煤灰烧结温度接近。     

水蒸气气化条件下碳酸钾对煤灰烧结和矿物质演化的影响

在水蒸气气化气氛（水蒸气-氢气-一氧化碳-二氧化碳混合气氛）下考察了反应压力对负载碳酸钾煤灰烧结温度的影响，建立了包含煤的灰分、煤灰化学组成、催化剂负载量及反应压力因素的煤灰烧结温度预测关系式，预测结果与实测烧结温度的误差在±15℃（2%）范围内。利用X射线衍射仪和FactSage热力学计算软件对不同气氛和压力下煤灰中的矿物组成及含量的变化规律进行了分析。结果表明，碳酸钾与煤灰中的硬石膏、方解石反应生成硫酸钾和碳酸钾钙；水蒸气气化气氛下硫酸钾和赤铁矿被还原，碳酸钾钙的分解温度随反应压力的增大而升高；负载催化剂煤灰中氢氧化钾的量随温度和压力的提高而增加，不同压力下煤灰的最低烧结温度与氢氧化钾的含量有关，当氢氧化钾的含量达到一定值时，不同压力下对应的温度与实验测得的煤灰烧结温度接近。     

反应气氛对不同煤灰烧结温度影响的研究

煤灰的烧结温度对流化床燃烧及气化炉的设计和运行有着很重要的作用。利用所建的压差法煤灰烧结温度测量装置,在分析了灰样放置方式对煤灰烧结温度测量影响的基础上,测量了不同反应气氛下不同煤灰的烧结温度,并获得了煤灰成分以及反应气氛对煤灰烧结特性的影响。结果表明,煤灰的酸碱比越大,其烧结温度越高,同时煤灰的含铁量增加将明显降低其烧结温度;还原性气氛下煤灰的烧结温度低于氧化性气氛下煤灰的烧结温度,而在H2气氛下,具有适当的Fe2O3、Na2O、SO3配比的煤灰容易产生低温共熔体Na2S-FeS,使得H2气氛下的烧结温度低于CO气氛下的煤灰烧结温度;典型流化床气化下煤灰的烧结温度介于CO气氛和H2气氛下煤灰烧结温度之间,并且更接近于CO气氛。     

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。     

高岭土对准东高碱煤煤灰熔融特性影响的量子化学与实验研究

采用量子化学理论计算与实验表征相结合的方法,研究了高岭土对准东高碱煤煤灰熔融特性及其熔融过程中矿物质演变规律的影响,并从矿物质微观结构特性角度阐述了高岭土对改变准东煤煤灰熔融特性的影响机制。结果表明,准东高碱煤煤灰熔融温度随高岭土的添加呈现先快速升高后逐渐变缓的趋势,当高岭土添加比例大于10%时,其提高煤灰熔融温度的趋势变缓;准东高碱煤添加高岭土后,其在1 000-1200℃下的低熔融矿物钙长石、硬石膏等量明显减少,1 200-1 300℃下有一定量的莫来石生成,是其煤灰熔点升高的主要原因;高岭石分子结构中的O(26)、O(22)、Si(6)、Si(8)的反应活性较高,能够与灰中的Fe~(2+)等金属离子成键,促使高岭石的铝氧键断裂。煤中的碱金属或碱土金属(Na或Ca)氧化物中的的O2-,作为亲核试剂,与高岭石的Si(6)和Si(8)发生亲核反应,使桥氧键S-O-Si断裂。     

造纸污泥添加剂对麦秆灰烧结熔融特性的影响

利用灰熔点测试仪、XRD及XRF等仪器,对比研究了造纸污泥(脱墨污泥、造纸废水污泥)、城市废水污泥作为添加剂对麦秆灰熔融特性的影响,考察了烧结和熔融过程中的组分变化,分析了污泥添加剂对麦秆灰的作用机理;进一步将污泥添加剂与常规添加剂进行灰熔融特性对比研究。研究发现,添加比例控制为3%-10%,造纸污泥(脱墨污泥、造纸废水污泥)软化温度提升效果均优于城市废水污泥;在添加比例控制为5%时,造纸废水污泥对麦秆灰软化温度提升效果最好;增大添加比例过程中,造纸废水污泥Al_2O_3修饰骨架作用明显,但灰中长石类物质逐渐增多使得软化温度提升效果下降;在不同温度下,脱墨污泥主要是通过形成硅铝榴石使得灰熔点提升,造纸废水污泥则主要是通过生成高熔点物质CaSiO_3抑制低熔点硅酸盐形成,城市废水污泥升温中存在明显SiO_2晶态转变过程;使用污泥添加剂作为抗结渣添加剂具有良好应用前景。     

准东煤灰渣烧结熔融过程中钠基化合物作用机理研究

将Na₂CO₃添加剂按折算为Na₂O以20%的比例掺入煤灰中制成混合灰样,对混合灰样在不同温度下烧结.对不同温度下的烧结灰进行EDS元素分析和XRD物相分析,探究钠基化合物在准东煤灰烧结过程中的转变机理.并以EDS分析结果为基础用Fact sage 5.2计算软件中的Equilib模块进行化学热力学平衡反应计算.结果表明,随着烧结温度的升高,硫会发生富集,而钠主要和硫反应生成Na₂SO₄.同时会有NaCl的产生,NaCl会与含钾化合物反应置换出KCl.NaCl、KCl和Na₂SO₄与其他物质产生低温共熔物.     

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。     

蛭石对高钠高钙准东煤结渣特性影响研究

采用一维沉降炉,辅以灰熔点仪的实验方法,将蛭石与高钠高钙准东煤掺混燃烧,研究其对高钠高钙准东煤结渣特性的影响。结果表明,随着蛭石掺烧量的提高,灰熔点温度呈现先降低后升高的趋势,当掺烧量为6%时灰熔点温度最低;蛭石掺烧量越高,高钠高钙准东煤结渣情况改善越明显,当掺烧量达到4%时,渣样变得疏松多孔,质地变脆,渣样与沉积探针之间的黏附性较弱,极易通过吹灰除去,建议蛭石掺烧量为4%;煤灰中原始矿物质以石英、钙铝黄长石或钙黄长石以及辉石类的低熔点矿物质为主,掺烧蛭石后,含钠的绿辉石矿物质被转化为韭闪石,含铁的斜辉石、赤铁矿等矿物质被转化为铁橄榄石,渣样中的矿物质均以高熔点的镁橄榄石为主;蛭石具有固钠的作用,取样温度越低,蛭石掺混量越高,其固钠效果越明显。     

燃用准东煤电站锅炉灰沉积形成过程中的矿物演变与热力学模拟

选取某350 MW电站锅炉燃烧准东混煤,得到锅炉换热面灰沉积样品,主要借助XRD等手段分析了各处灰沉积物矿物形成过程,并通过Factsage 5.2从热力学平衡角度给出理论支持。结果表明,高温区域换热面灰沉积形成主要由于钠长石、钙长石等矿物在高温下经复杂变化形成低温共熔物,黏附烟气中固体颗粒而形成坚硬块状沉积物;低温区域换热面主要由于烟气中硫的沉积而发生酸性腐蚀,沉积物主要晶相为硫酸钙;省煤器换热面主要由于烟气携带的非晶态物形成松散型积灰。Factsage计算结果与实际灰样组成大致吻合,能够帮助分析灰沉积物中矿物质的转化规律。     

燃烧放热对准东煤成灰过程中钠盐释放的影响

选取典型的准东煤五彩湾煤为研究对象,在马弗炉内制备400-1200℃的燃烧灰和再热灰,采用K型热电偶测量燃烧过程中样品表面温度,通过XRF、XRD分析获得灰的成分和结晶形式,取部分灰样逐级萃取,通过微波消解及电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS),获得灰中钠的赋存特性。结果表明,燃烧和再热灰在成分和晶体形式上差异显著,再热灰钠含量明显高于燃烧灰且灰熔点偏低;随着温度升高灰中钠盐总量明显减少,其中,水溶钠、醋酸铵溶钠迅速减少,而盐酸溶钠含量先增加后减少,不可溶钠增加,释放的钠以可溶钠为主;加热温度和时间影响钠的释放,燃烧反应放热导致煤粉表面温度超过环境温度200℃以上,是钠盐过多释放的主要原因。     

准东煤水热提质过程中煤质特性变化对CO_2气化影响

选取准东高钠煤为研究对象,在高压反应釜中进行了不同温度(150-350℃)下的水热提质处理实验,依托电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、氮气等温吸附模型(BET)和X射线衍射(XRD)等技术,分析了煤样的煤质特性变化以及对CO_2气化的综合影响规律。结果表明,水热提质处理后煤样成熟度增加,煤阶上升,钠的脱除效果显著,在300-350℃时脱除率均大于95%。煤焦化学结构致密、有序、稳定;煤样CO_2气化曲线向高温区偏移,气化活性指数呈下降趋势且300-350℃时下降明显。水热提质过程中煤样气化反应活性受到煤阶、碱金属钠含量、物理孔隙结构、化学微晶结构等多个因素的综合影响。     

准东煤热解过程中不同赋存形态钠变迁规律的研究

利用加压管式反应器对准东煤进行了一系列热解实验,并采用溶剂逐级萃取的方法研究了煤中各赋存形态钠在不同热解温度、停留时间及其压力下的变迁规律。研究发现,原煤中钠主要是以水合离子态和钠长石的形式存在,有机态钠含量较少。在500-700℃时,随着挥发分的释放,水可溶性钠结合到煤焦的碳基质上,转化为盐酸可溶但水不可溶性的钠,少量有机钠会挥发至气相中。在700-900℃时,可溶性钠与高岭土等矿物质反应生成盐酸不可溶性钠。1 000℃时,钠的挥发量显著增加;部分高岭土与方解石分解生成的氧化钙反应生成钙长石,抑制了可溶性钠与高岭土之间的反应。煤中各形态钠的变迁主要发生在热解初期,与挥发分的释放同时进行。提高热解压力对钠的变迁行为没有影响。     

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。