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典型低阶煤燃烧灰颗粒的生成及混烧对沉积特性的影响

樊斌  
【摘要】:我国“贫油、富煤、少气”的资源禀赋特点决定了煤炭将长期占据中国能源消费结构的主导地位。随着常规动力煤的不断消耗,低阶煤由于其巨大的储量和低廉的价格而备受关注。但低阶煤通常富含易气化的碱性元素,其高温燃烧转化、成灰特性等与常规动力煤存在较大差异,可能导致十分严重的颗粒物排放及灰沉积(结渣和沾污)问题。混煤技术由于可改善煤质、缓解低阶煤燃烧问题而得到广泛应用,但技术的优化还缺乏有效的科学指导。本文选取我国新疆、内蒙的几种典型低阶煤,研究单烧及混烧过程中矿物的转化、灰颗粒的生成及灰沉积行为,以丰富对低阶煤燃烧问题的深入认识,并为混煤燃烧技术的优化提供理论指导。论文开展的主要研究工作及成果如下:首先,基于高温沉降炉实验系统,对比研究典型低阶煤和烟煤燃烧过程中颗粒物PM10的生成特性,获得了对煤质影响规律的认识。研究表明,虽然低阶煤和烟煤燃烧生成的PM10均呈现典型的双峰分布特性,但在相同灰基条件下低阶煤(尤其是准东煤和哈密褐煤)PM0.5和PM0.5-10的生成量均显著高于烟煤,分别为其约4-15倍和3-5倍。低阶煤的PM0.5富含碱性成分Na2O、K2O、Mg O、Ca O及Fe2O3等,其质量百分含量约占70%,而烟煤(尤其是平顶山煤和山西煤)的PM0.5则含有较高的Si O2和Al2O3,占比达40%-60%。对于PM0.5-10,其化学组成则均与煤的灰成分接近。低阶煤(以准东煤为例)的脱挥发分过程伴随着部分Na、Mg等的析出,对PM0.5和PM0.5-10的生成具有贡献,而其他元素如Ca、Si、Al等,则主要在焦的燃烧过程中转化为PM0.5-10。其次,利用先进的计算机控制扫描电镜(CCSEM)技术研究低阶煤燃烧过程中矿物质的成灰行为,并与典型烟煤进行对比,揭示矿物质赋存形态与煤灰生成之间的关联关系。研究表明,低阶煤中的矿物质种类与常规烟煤虽然具有相似性(主要为石英、高岭、石灰石、黄铁矿、铁氧化物、钾硅铝酸盐等),但其相对含量、赋存形态及粒径分布等则存在较大差异。低阶煤中通常具有较高含量的Ca、Mg、Na,且主要以有机结合态和水溶态形式存在,其质量百分含量约占70%。它们在燃烧时容易发生气化,生成大量的细灰颗粒。而烟煤中Ca、Mg、Na含量通常较低,Si、Al为其矿物质的主要组成元素,其质量百分含量达80%左右,燃烧过程中矿物颗粒的聚合是其形成大量粗灰颗粒的主要途径。同时,研究中首次观察到燃烧后准东煤灰中存在大量Ca O和Mg O相结合的共存灰颗粒,通过研究发现煤中有机结合态Ca、Mg的燃烧转化是其主要形成机理。再次,将低阶煤与烟煤进行混烧实验,研究混烧比例变化对灰颗粒生成的影响规律。研究表明,相比于低阶煤单独燃烧,其与高硅铝烟煤的混烧会显著影响灰颗粒的粒径分布。随着混煤中低阶煤比例的降低,煤灰粒径整体向大粒径颗粒迁移。混烧灰颗粒粒径的变化主要受高硅铝煤灰的稀释作用以及低阶煤与高硅铝煤中矿物交互作用的影响,其中前者的影响更为显著。混烧未导致新矿物相的生成,但是改变了无机矿物元素在灰中的分布特性。混烧中矿物的交互作用促进了碱金属向硅铝酸盐的迁移,因此降低了PM1和PM0.5的生成浓度,但是随着低阶煤混烧比例的降低,矿物之间的交互作用对细颗粒物生成浓度的影响减弱。最后,基于对混烧过程中灰颗粒生成特性的认识,进一步研究低阶煤混烧对灰沉积特性的影响。研究表明,混烧对不同碱酸比(B/A)低阶煤灰熔点的影响规律不同。总体上,随着烟煤混烧比例的增加会降低煤灰的碱酸比,灰熔点呈升高趋势。灰沉积实验显示,混烧对灰沉积倾向的影响受低阶煤种类以及混烧比例的影响,而高硅铝煤灰的稀释作用似乎是主要影响因素。相比于低阶煤单烧,混烧虽然会改变煤灰的灰沉积倾向,但对灰渣成分的影响并不明显。根据本实验研究以及前人工作,提出基于煤灰碱酸比以指导新疆低阶煤混烧的具体原则:即为有效缓解新疆煤灰沉积问题,采用混煤燃烧时,煤灰碱酸比不宜大于0.3,当煤灰碱酸比低于0.2时,混煤燃烧基本不存在灰沉积问题。


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