准东煤燃烧中不同形态无机元素向颗粒物的转化行为

采用逐级提取的方法对准东煤进行处理,依次制备了水洗煤、乙酸铵洗煤和盐酸洗煤,在沉降炉中开展了各煤样的颗粒物生成特性实验,以研究准东煤中不同形态无机元素向颗粒物的转化行为。燃烧温度为1 300 ℃时,模拟空气燃烧气氛。使用低压撞击器(LPI)收集燃烧生成的颗粒物,采用扫描电子显微镜和能谱(SEM-EDS)分析颗粒物的成分和形貌。研究表明,准东煤生成的颗粒物主要分布在1~10 μm,并且主要来自煤中乙酸铵溶态和盐酸溶态Ca,Mg的转化。它们大部分形成富Ca,Mg的无规则形貌颗粒,小部分形成球形的硅铝酸盐颗粒。Na在准东煤中主要以水溶态形式存在,很大一部分转化成PM1(尤其是PM0.1)。Fe在准东煤中主要以盐酸不溶态和盐酸溶态形式存在,燃烧后主要分布在PM1~10中,其中盐酸溶态Fe有较大贡献。     

不同温度下准东煤燃烧颗粒物的生成特性

为研究不同温度下准东煤燃烧颗粒物的生成特性,在实验室沉降炉中开展了准东煤燃烧颗粒物的生成特性的实验。实验温度为900,1 000,1 100,1 300 ℃,实验气氛为模拟空气气氛。燃烧生成的颗粒物被低压撞击器（LPI）收集并获得其粒径分布,其化学成分使用XRF分析。实验结果表明,准东煤在不同温度下的颗粒物生成特性呈现明显的差异。在900 ℃和1 000 ℃时亚微米颗粒物（PM1）的生成量明显高于1 100 ℃和1 300℃时,并且亚微米颗粒的峰值粒径也较1 100 ℃和1 300 ℃大。900~1 100 ℃时超微米颗粒（PM1-10）的生成量相当,而在1 300 ℃时具有显著的上升。对颗粒物的成分分析发现,在较高温度下,煤中灰分对Na蒸气的吸收或反应是PM1生成减少的主要原因。     

准东煤矿物分布及其熔融特性变化规律分析

对准东煤进行浮沉试验,通过煤灰化学组成和煤灰熔融性分析探讨了矿物在不同密度级中的分布及熔融特性变化。结果表明,不同矿物因成分、密度等差异向不同密度级富集,煤灰化学成分分析显示高密度级比重液富集样品灰化后的Al2O3、Si O2与Fe2O3含量较高,低密度级富集样品灰化后Ca O、SO3与Mg O含量较高,而Ti O2与K2O+Na2O在各密度级样品灰分中的含量较为稳定。Al2O3、Si O2高温下生成莫来石(3Al2O3·2Si O2)使准东煤灰熔融性温度随密度级呈现升高的趋势。1.5~1.8kg/L密度级富集样品因较低的Si O2和较高的Fe2O3,还原气氛中生成硬绿泥石、铁斜晖石、铁橄榄石等低熔点化合物,煤灰熔融性温度较低。碱酸比、硅比、氧化钠含量、硫分结渣指数等指标表明,准东煤中矿物质经浮沉试验分级偏析后,沾污与结渣特性减弱。     

燃煤细颗粒物排放实验及形成机理

为了研究不同变质程度煤粉燃烧后细颗粒物排放特性及生成机理,选取4种不同变质程度的煤,在实验室滴管炉（DTF）上开展了燃煤细颗粒物排放的实验研究,阐述了煤燃烧过程颗粒物形成机理,分析了煤中外在矿物和内在矿物对细颗粒物生成的贡献。实验结果表明煤燃烧颗粒物排放呈三模态分布,峰值分别0.05,0.5和5 μm左右;煤的变质程度和温度对于颗粒物的三模态分布几乎没有影响;温度促进细模态颗粒物的生成;难熔元素,如Al和Si在粗颗粒中明显富集;易挥发元素如S在超细模态颗粒物中明显富集;燃煤粗颗粒主要由煤中内、外在矿物的熔融聚合形成,黏附在煤胞壁上的内在矿物在煤焦破碎过程中熔融聚合可能是形成中间模态中不规则形貌颗粒物的原因之一。     

CO2-水洗对准东高碱煤Na/Ca脱除性能的影响

煤炭是我国主要能源资源，而准东煤田作为我国最大的整装煤田，具有非常高的开发利用价值。但准东煤中Na、Ca等碱金属和碱土金属(AAEMs)含量较高，导致在工业生产中结渣沾污问题严重。为探究CO₂-水洗处理对准东高碱煤的脱碱效果及水洗过程溶液中Cl^-/NO^-₃等阴离子的分布特性，进行水洗/CO₂-水洗准东煤脱碱实验。在水洗温度为20、40、60℃,水洗时间为2、5、8 h等不同水洗条件下，对水洗/CO₂-水洗准东煤Na/Ca和Cl^-/NO^-₃的脱除性能进行对比分析，并对其他气体氛围下水洗准东煤脱除Na/Ca的可行性进行探讨。实验结果表明：随着水洗时间、温度及水煤液固质量比的增加，Na/Ca的脱除效率增加且增幅较大，滤液中Cl^-/NO^-₃等阴离子浓度也有所增大。当水洗时间为5 h、水洗温度为60℃、液固比为50∶1、CO_2...     

烟气气氛对准东煤灰熔融特性影响的显微观察

准东煤田预测储量高,准东煤灰具有高硫,低硅铝,高碱/碱土金属等特点,实际燃用准东煤锅炉出现了严重的沾污、结渣现象,影响准东煤的大规模开发利用。烟气气氛(含有大量SO₂,SO3)可能影响高温下Na2SO4的生成/分解,从而影响煤灰的熔融过程。深入研究烟气气氛对准东煤灰熔融特性的影响,有助于加深对锅炉结渣过程的理解,为燃用准东煤锅炉结渣防控提供技术支持。为获得烟气气氛对准东煤灰熔融特性的影响规律,建立了单热电偶高温显微观察系统(SHTT),比较了还原性气氛、氧化性气氛、惰性气氛及模拟烟气气氛下准东煤灰的熔融特性。结果表明,建立的灰熔融温度测试方法精度较好,96.92%的灰样熔融温度与标准灰熔点仪测得的流动温度相比偏差在3%以内(≤40℃),最大偏差<50℃,测试偏差在煤灰熔融特性测试允许误差范围内。当碱酸比R<2.5时,气氛对灰熔融特性无显著影响;当R>2.5时,煤灰组分中Fe₂O₃质量分数较高,导致还原性气氛下灰熔点降低。烟气中SO₂对煤灰熔融温度的影响与煤灰组分相关,当R>2.5时,煤灰中碱/碱土金属及硫(AAEM/S)质量分数较高,烟气中SO₂会抑制煤灰中CaSO₄的分解,提升高温下煤灰中CaO质量分数,并减少长石,辉石等低熔点矿物的生成,进而提升煤灰熔融温度。烟气中SO₂是促进富含Na/Fe硫酸盐或硫化物超细颗粒生成及沉积的重要因素。     

准东高钠煤燃烧利用技术研究

我国新疆准东地区煤炭资源丰富,但煤中Na等碱金属含量高,燃烧后易在尾部受热面结渣,影响锅炉机组正常运行。介绍了准东高钠煤特性、燃烧利用对锅炉设备影响及国内准东高钠煤燃烧利用技术研究。     

燃用准东煤过程中碱/碱土金属迁移规律及锅炉结渣沾污研究进展

准东煤灰分含量低、着火温度低、燃尽性能优良,是优良的动力用煤,但准东煤灰中碱/碱土金属含量高,在燃烧过程中易挥发进入气相并冷凝在受热面上从而强化锅炉的沾污、结渣过程,要实现安全、高效、洁净燃用准东煤,需对准东煤燃烧过程中矿物尤其是碱/碱土金属转化特性和灰熔融特性进行研究。对准东煤中碱/碱土金属(AAEM)赋存形态及燃用过程中AAEM的迁移转化、煤灰熔融特性、准东煤结渣、沾污机理等研究进展进行了介绍,总结了锅炉结渣、沾污关键影响因素及目前常用的防控方法。由于实验样品和条件的差异,AAEM在煤燃烧过程中的释放、转化特性及其对灰熔融特性的影响尚未有一致结论;对于AAEM释放多采用热力学平衡计算,相应的动力学模型缺乏深入研究;由于燃烧试验台实验工况与实际锅炉烟气组分、热参数等存在一定差异,燃烧试验台获得的结渣、积灰特性能否反映真实锅炉情况有待验证;实际锅炉沉积样品分析面临锅炉工况调整困难、可重复性差等问题,需对锅炉实际结渣污特性进行深入研究;锅炉设计、掺烧、参数调整等方法仅能减轻准东煤结渣、沾污等问题,为实现准东煤的安全、高效、洁净利用,仍需更加深入的研究煤灰结渣、沾污机理。应加强灰化温度、气氛等对煤热转化中AAEM的释放和转化特性影响的系统研究,进一步开展AAEM在煤热转化过程中的释放、矿物转化动力学模型研究,同时,需针对温度、气氛、煤灰组分等对准东煤结渣、沾污的影响规律开展更加细致地研究,为结渣、沾污防控提供支持。     

几种氯化物对高炉喷吹用煤粉燃烧性能的影响

为了提高高炉喷吹煤粉的燃烧率,分析了Ca Cl2,Mg Cl2,Na Cl和Fe Cl3添加剂对高炉喷吹用煤粉燃烧性能的影响,得到各物质添加量对煤粉燃烧率的影响规律。结果表明,适量的Ca Cl2,Mg Cl2,Na Cl和Fe Cl3均能改善高炉喷吹用煤的燃烧性能。当Ca Cl2和Mg Cl2添加量小于1%、Fe Cl3添加量小于2%时,煤粉燃烧率分别随Ca Cl2,Mg Cl2和Fe Cl3添加量的增加而提高;继续增加各物质的添加量,煤粉燃烧率均下降;煤粉燃烧率随Na Cl添加量的增加而提高。与原煤燃烧后产生的未燃煤粉相比,加入氯化物添加剂后高炉喷吹用煤的未燃煤粉颗粒均变得不规则,且粒度明显减小。综合考虑,高炉喷吹用煤粉中Ca Cl2和Mg Cl2适宜的添加比例均为1%,Fe Cl3适宜的比例为2%,Na Cl的添加比例应小于1%。为改善高炉喷吹用煤粉的燃烧性能,4种氯化物添加剂优的先选用顺序为Fe Cl3,Ca Cl2,Mg Cl2和Na Cl。     

水溶性钠对高碱煤及模型化合物燃烧特性的影响

新疆准东高碱煤中钠、钙等碱金属和碱土金属含量高,其中钠分别以水溶态、醋酸铵态、盐酸态和不溶态4种形态存在。水溶态钠占比高达82%,易于水洗去除,且对燃烧过程挥发分的析出速度及对着火温度和燃尽温度有明显影响。为进一步探究水溶性钠对准东高碱煤燃烧特性的影响机制,利用差示扫描量热值仪与质谱联用仪(DSC-MS)开展燃烧试验,对比研究水溶性钠对准东脱灰煤(DC)及模型化合物(MH)燃烧特性的影响,分析着火温度、燃尽温度、最大燃烧速率、综合燃烧特性指数等燃烧特性参数,并采用Coats-Redfern积分法对燃烧反应进行动力学分析。结果表明:(1)MH与DC的平均失重速度和综合燃烧指数都有较好的一致性,可以利用模型化合物代替高碱煤开展燃烧特性及污染排的放特性研究;(2)钠对DC和MH的挥发分析出阶段无明显影响,主要促进了固定碳的燃烧;(3)动力学分析验证DC和MH的反应级数均为1级;(4)钠对DC及MH的挥发分析出及着火阶段(温度低于490℃和530℃)无明显影响,但对固定碳的燃烧起到进作用。     

冠醚对准东煤水洗液中碱/碱土金属离子萃取动力学

超分子化合物冠醚对碱金属/碱土金属具有特殊的选择性配合能力,将其应用于煤化工领域中,为研究煤中自带单一碱/碱土金属元素对煤燃烧、热解、气化的影响提供新方法。研究了稀释剂种类、冠醚种类、萃取时间、冠醚浓度、萃取温度对准东煤水洗液中碱/碱土金属的萃取影响。结果表明,稀释剂极性越大,冠醚萃取效果越好。相同孔径的不同种类冠醚对相同离子的配位能力有差异,这是由于冠醚环上的取代基不同造成的。氯仿作为稀释剂,二环己基18-冠醚-6作为萃取剂,对准东煤水洗液中非Na碱/碱土金属离子具有较高的选择能力和萃取能力。提高有机相萃取剂浓度可有效提升萃取率,但分离系数并不随萃取剂浓度的增大而增大。萃取反应为放热反应,升高温度不利于萃取反应进行。     

混烧准东煤660 MW煤粉炉分离燃尽风位置优化研究

以某混烧准东煤与北塔山煤的660 MW超超临界四角切圆锅炉为研究对象,使用ANSYS FLUENT软件,模拟当准东煤与北塔山煤的混烧质量比分别为8∶2、9∶1和10∶0时,分离燃尽风喷口投用位置对炉膛出口NOx浓度和煤粉燃尽率的影响,确定分离燃尽风的最佳位置。研究表明,各混烧比下,还原区高度为4 m时,炉膛出口NOx浓度和煤粉燃尽率达到最佳值,NOx浓度分别为2270、2403、2605 mg/m3,煤粉燃尽率分别为9877%、9867%、9775%。保持还原区高度4 m不变,改变高低位燃尽风间距,当高低位燃尽风之间的距离为25 m时,炉膛出口NOx浓度和煤粉燃尽率达到最佳值,NOx浓度分别为227010、240300、260525 mg/m3,煤粉燃尽率分别为9877%、9867%、9775%。研究结果可为类似炉型混烧或全烧准东煤提供参考。     

水溶钠对准东煤快速热解煤焦燃烧特性的影响

采用不同萃取液对准东五彩湾烟煤进行逐级萃取,分别利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪和离子色谱仪对萃取制得的滤液进行相应的元素分析和阴离子检测。测试结果表明,准东煤中金属钠的赋存形态以水溶钠为主,且主要以NaCl,Na2SO4,NaNO3,NaHCO3等化学形态存在。在酸洗煤样中加载不同化学形态水溶钠,并在沉降炉快速热解条件下制备煤焦。热解煤焦的热重燃烧实验表明,添加水溶钠使煤焦的燃烧初始反应温度、着火温度和燃尽温度都较酸洗煤煤焦有所降低,表明水溶钠盐对高钠煤煤焦的燃烧具有促进作用。不同化学形态水溶钠的催化作用不同,以Na2CO3的作用最为显著。通过积分法计算得到了5种快速热解煤焦燃烧的活化能,加载水溶钠盐使煤焦燃烧的活化能降低,不同化学形态水溶钠的影响不同。     

灰化温度对准东煤灰组分分析的影响

采用等离子低温灰化法和国标缓慢灰化法,在灰化终温T200,500和815℃下,分别制备了3种准东煤的灰样,使用XRF,TG-DSC和XRD分析比较了灰化温度对灰组分分析的影响。实验发现,准东煤中Al,Si,Ti等在灰化过程中基本无释放,Na/Ca/Mg在500℃时有少量释放,在815℃时大量释放。中温灰与低温灰的矿物组分相似,主要区别是低温灰中的高岭石在中温灰中转变成了偏高岭石。低温灰中仍有部分未充分氧化的有机质。而高温灰与中、低温灰相比有明显差异。准东煤灰成分分析不宜采用现有国标中的缓慢灰化方法,而应使用等离子低温灰化法或者采用灰化终温不超过500℃的缓慢灰化法。     

准东高碱煤气化过程中碱金属赋存形态迁移转化

利用循环流化床煤气化试验、三步萃取分析和X射线衍射（XRD）分析,对新疆准东煤田的天池木垒煤（TC）中碱金属钠和钾的赋存形态进行了研究,初步获得了天池木垒煤中不同赋存形态钠和钾的转化规律。研究结果表明：钠在天池木垒煤中主要以水溶形式存在,钾主要以不溶形式存在;在煤气化过程中,以有机形式和水溶形式存在的钠易挥发到煤气中,不溶钠总含量增加,且主要存在底渣中,飞灰中钠和钾主要以水溶形式存在;煤气化温度升高,更多水溶钠和酸溶钠挥发至煤气中,同时有更多不溶钠生成;尾部煤气温度降低,煤气中钠会以水溶钠和酸溶钠的形式凝结;通过XRD可以确定天池木垒煤中主要有,NaCl,Na2SO4和K3Na(SO4)2等水溶钠,不溶钠则以硅铝酸盐矿物形式存在且经过煤气化后,有更多硅铝酸盐生成,而会挥发进入煤气,在固态样品中无法检测到。     

准东次烟煤在H2O2水溶液中的氧化解聚

H2O2氧化不仅可以用来研究煤的结构,也可将煤转化为高值化学品,是一种有前景的低阶煤利用方法。中国目前储量丰富的低阶煤资源是准东次烟煤,特对H2O2氧化准东次烟煤进行研究,为其利用提供基础数据。利用H2O2氧化解聚准东次烟煤,采用N2吸附仪和FTIR分析其物理化学特性,采用热重分析仪(TG)分析其燃烧特性,并采用GC/MS对氧化产物的组成进行分析。结果表明,随着温度的升高,转化率增大。当温度为80℃时,转化率达到45.67%。通过H2O2与准东次烟煤的反应,可破坏煤中的孔隙结构,降低比表面积和总孔容,引起煤颗粒收缩,使煤结构变得致密;可断裂煤中的桥键和C-O醚键,并促使芳香结构开环。氧化残煤中的灰分含量降低,N和S含量降低,挥发分含量增加,H/C和O/C原子比增加。和原煤相比,氧化残煤中脂肪侧链变长,脂肪支链减少,CO含量增加,C-O含量和脂肪族氢含量减少。同时,氧化残煤较好地保持了原煤的燃烧特性。GC/MS检测到氧化产物中含有14种物质,包括2种链烷酸、2种苯羧酸、5种烃类、4种含氮或含硫物质和1种酯类。在所检测的物质中,(Z)-二十二碳-13-烯酰胺、二(6-甲基庚基)邻苯二甲酸酯和棕榈酸的含量最高。检测的含氮或含硫物质揭示准东煤中有机氮和有机硫的存在形式包括酰胺、磺酸和磺酰。