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煤中碳酸盐在氧/燃料燃烧条件下的转化行为

王建培  
【摘要】:氧/燃料燃烧是一种重要的燃煤CO2减排技术,同时便于NOx、SOx以及颗粒物等污染物的联合脱除。在氧/燃料燃烧条件下,燃烧气氛的改变使得锅炉的传热传质特性和煤粉的燃烧特性等发生重要改变,这些改变将会作用于煤中矿物质的转化,进而影响炉内的积灰结渣行为以及颗粒物的生成排放特性。目前,众多学者对氧/燃料燃烧条件下炉内灰沉积倾向还没有达成一致的认识。煤中碳酸盐矿物(菱铁矿、方解石和白云石)是造成炉内积灰结渣以及颗粒物生成的重要因素。对于碳酸盐矿物转化特性的研究将有助于推进氧/燃料燃烧条件下炉内灰沉积特性和颗粒物生成的研究。为此,本文通过系统的实验和深入的分析对氧/燃料燃烧条件下煤中碳酸盐矿物的转化行为开展了相关研究。本文的主要内容如下: 采用热重分析技术对菱铁矿在氧/燃料燃烧气氛下的转化行为进行了研究。在程序升温过程中,菱铁矿在O2/CO2气氛与O2/N2气氛下具有相似的转化规律。在这两类气氛下,菱铁矿的分解温度均高于N2气氛,O2和CO2浓度的变化没有影响菱铁矿的分解转化特性。O2和CO2对菱铁矿分解的作用机理不同,当O2与CO2共存时,O2与菱铁矿的反应占主导,CO2对菱铁矿分解转化的影响较弱。当相同浓度H2O添加后,菱铁矿在O2/CO2/H2O气氛下的分解温度高于O2/N2/H2O气氛。当O2、CO2和H2O共存时,三者共同作用于菱铁矿的分解转化,CO2对菱铁矿分解的抑制作用明显。在等温热重实验中,各种气氛对菱铁矿分解转化的作用机理与程序升温实验类似。 将脱灰煤粉与菱铁矿按比例混合,模拟外在菱铁矿,将纯菱铁矿与外在菱铁矿分别在沉降炉上进行高温实验。纯菱铁矿的实验结果表明:产物颗粒均未发生明显的熔融和破碎;在O2/N2=7/93、O2/N2=21/79、O2/CO2=7/93和O2/CO2=21/79四种气氛下,磁铁矿是唯一的产物:当实验气氛为O2/CO2=32/68时,少量的赤铁矿生成。氧/燃料燃烧气氛对纯菱铁矿的转化影响较小。外在菱铁矿的实验结果表明:在O2/N2=7/93和O2/CO2=7/93两种还原性气氛下,外在菱铁矿的产物均包含方铁矿和磁铁矿。在O2/CO2=7/93气氛下,产物中磁铁矿的含量高于O2/N2=7/93气氛。同时O2/CO2=7/93气氛下,产物的熔融程度弱于O2/N2=7/93气氛。在氧/燃料燃烧还原性条件下,CO2主要通过影响煤粉的转化以及自身的氧化作用,将菱铁矿转化为更多的磁铁矿。在O2/N2=21/79、O2/CO2=21/79和O2/CO2=32/68三种氧化性气氛下,外在菱铁矿产物发生熔融,磁铁矿是唯,一的产物。外在菱铁矿在氧化性气氛下发生破碎,在O2/CO2=32/68气氛下,矿物颗粒破碎最剧烈。在氧化性气氛下,氧/燃料燃烧方式主要通过影响煤粉的燃烧作用于菱铁矿的转化。 采用添加菱铁矿的合成焦模拟内在菱铁矿,在沉降炉上进行燃烧实验,研究内在菱铁矿在氧/燃料燃烧条件下的转化。在两种还原性气氛下,内在菱铁矿产物成分与形貌具有较大差异。在O2/N2=7/93气氛下,部分菱铁矿产物依然被碳质包裹,产物主要为铁单质。在O2/CO2=7/93气氛下,产物颗粒为表面粗糙的球形颗粒,方铁矿为主要产物。在氧/燃料燃烧还原性条件下,CO2主要通过与煤焦的气化反应改变内在菱铁矿的存在形态,进而降低菱铁矿周围环境的还原性,分解生成的方铁矿大部分被保持到实验结束。在O2/N2=21/79、O2/CO2=21/79和O2/CO2=32/68三种氧化性气氛下,内在菱铁矿的转化行为相似,产物颗粒均发生熔融,磁铁矿和铁的三价玻璃体化合物为主要产物,氧/燃料燃烧气氛对菱铁矿转化行为的影响较小。为了研究菱铁矿与石英的交互作用,将菱铁矿和石英按照摩尔比1:1加入合成焦,并将此合成焦在沉降炉内进行燃烧实验。研究结果表明:随着石英的添加,产物中铁玻璃体化合物的含量增加。由于铁玻璃体化合物较强的熔融特性,产物熔融加剧,颗粒表面更加光滑,不同气氛下产物的差异减小。 将方解石与白云石在氧/燃料燃烧条件下进行沉降炉实验,研究二者在氧/燃料燃烧条件下的转化行为。研究表明:在氧/燃料燃烧条件下,方解石颗粒发生破碎,破碎程度随着颗粒粒径的增大而增加,随CO2浓度的升高而降低,产物颗粒的烧结会增大颗粒的尺寸。与空气燃烧条件相比,在氧/燃料燃烧条件下,方解石转化率下降;同时方解石的直接硫酸盐化反应增强,硫酸盐化程度提高。在氧/燃料燃烧条件下,白云石产物中S/Ca比是空气燃烧条件下的三倍,反应温度对白云石硫酸盐化程度影响较小。气氛中C02浓度越高,白云石的硫酸盐化程度越高。


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