熔融灰渣侵蚀耐火材料的界面特性研究

研究了碱酸比不同的3种熔融煤灰(A、J1和J2)在莫来石和刚玉两种耐火材料上的界面特性。结果表明,A对莫来石和刚玉都有很好的润湿性,而J1和J2对这两种耐火材料则经历由不完全润湿到润湿的过程。熔渣与耐火材料(S-R)界面宽度随着接触角减小而增大。从灰渣开始熔融至1 520 ℃,熔融煤灰J1在耐火材料表面上的接触角随着倾角的增加而减小;当倾角为20°时,其接触角突然增大。SEM-EDS分析表明,由于界面反应,A比J1更容易渗透进入耐火材料内部。对于碱酸比不同的煤灰,渗透和酸碱反应是熔渣对耐火材料腐蚀的关键。     

基于燃烧实验的卫燃带结渣特性分析

将两种结渣倾向对比明显的煤粉送入均匀布置有三种卫燃带耐火材料板的煤粉炉内进行燃烧,待燃烧完成后观察不同煤种在不同卫燃带耐火材料板表面的结渣特性,并对卫燃带耐火材料板横断面进行能谱分析,得出不同条件下煤灰对卫燃带耐火材料板的侵蚀程度。实验结果表明,随炉内温度的升高,卫燃带耐火材料板表面的结渣程度以及煤灰对卫燃带耐火材料板的渗透、侵蚀程度均随之增大,特别是当炉温高于煤灰熔融温度时,卫燃带耐火材料板表面结渣程度将急剧增大;锅炉实际运行中,若可保证卫燃带表面温度在锅炉最高负荷时不超过所燃煤种的煤灰熔融温度,便可有效减少卫燃带表面结渣的可能性;碳化硅质卫燃带相对于刚玉质卫燃带具有优越的抗结渣性能。     

不同的灰熔点调控方式对煤灰熔融特性的影响

对两种原始煤灰进行混合,并分别搭配不同的添加剂,得到3种元素组成相同的煤灰,灰熔点测试结果显示,三者的灰熔点存在较大差异。结合X射线衍射技术和SEM-EDX(扫描电子显微镜与能谱联用)分析了3种煤灰(>800 ℃)在高温时的矿物质转化过程。结果表明,不同的灰熔点调控手段对不同煤的影响是不同的。原因是高温时矿物质组成不仅与煤灰化学元素组成相关,更与元素在矿物质中的赋存状态有关。两者共同决定了煤灰的熔融特性。     

Mg2+和Na+对高熔点煤灰熔融性的影响

以山西阳泉固庄高熔点煤灰为研究对象,通过向煤灰中添加不同量的MgO与Na₂CO₃,研究了Mg²⁺与Na⁺在高温下对煤灰熔融性的影响。研究结果表明,煤灰熔融温度随氧化镁的添加(5%~25%)单调下降;而随氧化钠添加(5%~25%)出现先降后升现象,在氧化钠添加量为15% 时,灰熔点达到最低。XRD分析表明,阳泉固庄煤灰熔融温度高(大于1 750℃)的原因是高温条件下耐熔矿物莫来石、方英石的存在。添加外加剂后,高温时外加剂与硅酸盐矿物反应,生成了更多的低共熔矿物霞石、堇青石等。同时,Mg²⁺和Na⁺的加入会使得非桥氧数量增多,高温煤灰低聚物增多,降低了煤灰的熔融温度。通过三元相图以及SEM分析,高温条件下煤灰中部分元素的富集以及团聚现象是导致Mg²⁺和Na⁺对煤灰熔融温度影响不同的原因。     

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。     

煤尘表面碳、氧基团随变质增加的演化规律及其对润湿性的影响

为探究煤自身结构差异对润湿性造成的影响,针对煤尘中碳、氧两大主要元素展开研究。通过NMR以及XPS实验分别获得六种不同变质程度煤尘表面碳(氧)基团的分布特征,利用距离分析得到碳(氧)基团的演化规律,发现随变质程度加深,一种基团的增减会伴随着其他基团的变化,是聚类变化的过程。碳基团中的芳烃碳(Ar-C,H)与羧基碳(-COOH)、次甲基碳(CH2)、醚基碳(Ar-O、R-O)演化规律接近,氧基团中的羟基氧(-OH)和醚基氧(C-O-C)的演化规律接近。利用因子分析研究碳、氧基团演化对润湿性的影响,发现芳香基团(Ar-C,H)作为解释碳基团对煤尘润湿性(接触角)影响程度的公因子,贡献95.366%的因素,是碳基团的主要影响因子,羟基(-OH)作为解释氧基团对煤尘润湿性(接触角)影响程度的公因子,贡献94.818%的因素,是氧基团的主要影响因子。     

高温弱还原气氛下煤灰中矿物质的定量研究

利用X射线衍射(XRD)研究了1 100-1 500℃条件下弱还原性气氛下胜利褐煤和高平无烟煤煤灰中矿物质的变化,利用Siroquant定量软件计算了高温灰样中矿物质和无定形相的含量,结合化学成分分析,利用差减法计算了煤灰中无定形相的化学组成。结果表明,利用XRD、Siroquant软件并结合化学成分分析,可以对煤灰中的矿物质及无定形相进行定量分析,并可获得不同温度下无定形相的化学组成变化。不同温度范围内煤灰中无定形相的形态不同,当温度低于1 100℃时,煤灰中无定形相主要是未结晶或结晶度较差的氧化物,而随着温度的升高,矿物质发生熔融并形成了玻璃态物质,此时的无定形相则是以熔融的硅酸盐和硅铝酸盐为主。煤灰的硅铝比越低,高温下越容易生成莫来石。     

淮南煤灰中晶体矿物组成与煤灰流动温度关系的研究

选取10种不同灰熔融温度的淮南煤,利用典型煤灰化学组成预测煤灰熔融温度的经验公式,对其煤灰流动温度进行了研究,发现预测精度不高;借助X射线衍射K值法分析计算了淮南煤灰的晶体矿物组成,并对晶体矿物组成与淮南煤灰流动温度的关系进行了关联,提出了利用晶体矿物组成预测煤灰流动温度的回归公式,揭示了淮南煤灰中晶体矿物组成与煤灰流动温度的内在关系,利用该公式计算的煤灰流动温度与实测值之差的绝对值小于国标规定的误差值(再现性小于等于80℃)。     

氧化钙含量对灰渣流体性质影响的研究

考察添加不同比例氧化钙对三种不同煤灰的熔融特性(AFT)和灰渣黏温特性的影响，特别是对不同黏度下临界黏度温度(Tcv)变化进行考察。结果表明，在一定的添加范围内灰熔融温度随着氧化钙添加比例的增加呈先减小后增加的变化趋势，这与通过FACTsage计算得到的全液相温度随氧化钙含量变化的结果相符;灰渣黏度在温度大于临界黏度温...     

煤加压转化过程中煤焦结构及煤灰矿物相演变规律

利用高温高压管式炉结合X射线衍射仪（XRD）和傅里叶红外光谱分析（FT-IR）研究了不同压力下（0.1-6 MPa）热解煤焦矿物相和碳微晶结构以及燃尽煤灰矿物相的演变规律。结果表明,在矿物相转化上,压力的升高对煤焦矿物相种类影响较小;在微晶结构上,温度和压力的升高使得焦炭的芳香层片堆叠高度变大,石墨化程度加深;在官能团特征上,压力对于煤焦中有机官能团结构的影响有限。压力变化对煤灰中主要矿物相种类的影响较小,但对其相对含量有一定影响,主要原因是不同压力下煤粉着火机理的转变造成燃烧温度有所不同;温度对煤灰物相转化的影响相较于压力更显著。     

煤催化气化工艺中碱金属腐蚀刚玉质耐火材料的实验研究

针对煤催化气化反应器设计中遇到的材料问题,采用碳酸钾及催化气化工况富含碱金属气化灰渣为实验原料,进行了碱金属腐蚀刚玉质耐火材料的实验研究。着重考察了有氧空气气氛和无氧还原性气氛、反应温度、反应时间、碱金属存在形态对腐蚀行为的影响,并结合SEM-EDX、XRD、核磁Al谱等表征手段,研究了反应前后碱金属和刚玉质耐火材料的成分、物相及结构变化。结果表明,碱金属对耐火材料腐蚀行为受反应的温度、气氛、时间及碱金属存在形态等因素影响较大。分析表明,有氧空气气氛下腐蚀尤为严重的原因是,原料中存在的钾与刚玉耐火材料发生化学反应生成新的钾的铝酸盐物相,且其含量随温度升高、反应时间延长而增加。     

水冷壁气流床气化炉灰渣结构分析

在管式电炉还原性气氛下,对煤灰进行1 300℃和1 400℃的高温热处理。同时,在小型膜式水冷壁气流床气化炉热模装置中进行煤气化实验。利用XRD、SEM和EDS等方法,考察了热处理后灰渣与煤气化所得炉渣的表面形态、内部微观结构、矿物组成等结构特性,并对管式电炉内进行灰渣热处理实验的可行性进行评估。结果表明,热处理温度和灰渣流动温度对灰渣的结构具有重大影响,热处理温度高于灰渣流动温度约10℃时,灰渣中含有大量矿物晶体且表面形态粗糙,内部微观结构凹凸不平,灰渣难于流动;热处理温度高于灰渣流动温度约100℃时,渣中大部分矿物晶体已变成无定形的玻璃体物质,灰渣表面及内部微观结构变得光滑均匀。采用管式电炉模拟气化炉内灰渣氛围,研究气化炉操作温度对灰渣结构的影响,具有一定的可行性。     

不同灰成分的低熔点煤灰熔融性调控机理研究

通过灰熔点较低且接近的两种煤与灰熔点较高的天池煤混配,结果表明,在含铁类矿物质较低的小屯煤与天池煤的混煤中,混煤灰熔点随天池煤混入比例的增加而提高,含铁类矿物质较高的宁鲁原煤与天池煤的混煤灰熔点随天池煤混入比例的增加没有明显变化。通过XRD分析配煤中矿物质的转变过程,结果表明,宁鲁原煤灰中含有的钙铁类矿物质(如赤铁矿、硬石膏)抑制了莫来石的生成,缺少作为骨架支撑作用的高熔点莫来石,煤灰的熔点得不到显著提高。最后将配煤在沉降炉中进行实验模拟电站锅炉的结渣过程,并使用SEM分析灰渣的微观形貌,发现与宁鲁原煤相比,小屯与天池煤的混煤更能显著改善结渣特性。     

宁东煤灰层/熔渣界面煤焦气化反应特性原位研究

以典型宁东煤-羊场湾煤为气化原料,采用热重分析仪和高温热台显微镜原位研究了1100、1200、1300℃下煤焦颗粒及其在灰层界面和熔渣界面的气化反应。结果表明,不同气化温度下灰层界面和熔渣界面的形态变化是影响煤焦颗粒气化反应性的主要因素。气化温度为1100℃,灰层在高温下收缩并包裹在煤焦颗粒表面,阻碍气化剂与煤焦颗粒的接触,使煤焦颗粒气化反应速率降低,而熔渣界面未发生明显变化,其界面处煤焦气化反应速率不变。气化温度为1300℃,灰层界面与熔渣界面均转变为液态,在表面张力作用下煤焦颗粒破碎,有效反应面积变大,传热速率增大,进而提高了煤焦的气化反应速率。     

Thermogravimetric analysis of gasification reactivity of coal chars with steam and CO2 at moderate temperatures

Comparative study on the gasification reactivity of the three types of Chinese coal chars with steam and CO₂ at 850–1050 °C was conducted by isothermal thermogravimetric analysis. The effects of coal rank, pore structure, ash behavior, and gasification temperature on the gasification reactivity of coal chars were investigated. It is found that the gasification reactivity difference between different coal chars changes with reaction degree and gasification temperature, and has no immediate connection with coal rank and initial pore structure. Ash behavior plays an important role in the char reactivity, and changes with gasification temperature and reaction degree due to the variation in the compositions and relative amount. The influence of pore structure is more noticeable during a relatively moderate reaction process. The relative reactivity ratio of steam to CO₂ gasification generally decreases with the increasing temperature, and is related with the catalytic effect of inherent minerals. The characteristic parameters of the chars were analyzed, finding that the value of half reaction specific rate is approximate to the average specific rate under the same conditions. The nth-order distributed activation energy model is proposed to describe the coal char gasification process, and the results show that the activation energy increases with the increasing carbon conversion.     

Study of the composition and gas-phase release characteristics of salt material extracted from MSW ash particles using STA

The ash material generated from the MSW incineration contains large amounts of alkali metals, heavy metals, chlorine and sulfur mainly deposited as inorganic salts and/or oxides on the surface of the Si-rich ash particles. In this work, the composition and gas-phase release characteristics of salt material extracted from MSW ash particles using a six-stage leaching process is studied using simultaneous thermal analysis (STA). The produced results provide useful information regarding the composition of the salt material and its melting behavior that is considered to play an important role to deposition and corrosion problems at MSW incinerators. The results may be used to model the deposition process and to the better understanding of the corrosion process during MSW incineration.     

准东煤流化床气化飞灰的理化特性研究

采用灰熔点测定仪、X射线荧光光谱仪、扫描电镜和热重分析仪等方法,研究了准东煤流化床气化飞灰的灰熔融特性、物理结构和化学组成及气化反应活性。结果表明,准东煤与其流化床气化飞灰中Si O2、Fe2O3、Na2O和Ca O等矿物质含量存在显著的差异,但飞灰的灰熔点与原煤无明显差异。准东煤气化飞灰具有较宽的粒径范围,呈现双峰分布特征,且不同粒径区间飞灰的元素含量存在显著差异。提高气化温度,有利于提高飞灰的气化反应活性。准东煤流化床气化飞灰石墨化程度比煤焦要高,但其孔隙结构更为发达,含有丰富的中孔和中大孔,使得飞灰的气化反应活性高于煤焦。可通过提高气化温度、循环再气化的方法提高气化效率。     

Superhydrophobic ceria on aluminum and its corrosion resistance

Superhydrophobic ceria on the aluminum substrate was fabricated, and its corrosion resistance was investigated by different techniques. For example, the so‐obtained superhydrophobic sample was immersed into the NaCl aqueous solution, and the variations in the surface wettability as well as the surface morphology were monitored; potentiodynamic polarization in the NaCl aqueous solution was adopted to evaluate its electrochemical corrosion resistance; a droplet of the aqueous solution HCl was dripped onto the superhydrophobic surface, and the corrosion process as well as the surface morphology after corrosion was monitored. The experimental results showed that the superhydrophobic ceria possessed a good corrosion resistance because of the entrapped air in the solid/liquid interface. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.