O2/CO2气氛对准东煤灰熔融行为和微观理化特性的影响

近年在新疆准东地区探明了储量巨大的准东煤,而O₂/CO₂燃烧技术被认为是最有前景的碳捕集技术之一,因此研究准东煤的O₂/CO₂燃烧技术对中国煤炭的大规模高效清洁安全利用具有重要意义。然而目前鲜有O₂/CO₂气氛对准东煤灰熔融行为和微观理化特性影响的相关研究。因此针对准东煤,利用灰熔点测定仪、SEM-EDS分析开展相关研究。实验结果表明：空气气氛、CO₂气氛及O₂/CO₂气氛的转变对准东煤灰熔融温度的影响可以忽略不计,但会在一定程度上改变煤灰的微观理化特性。O₂/CO₂气氛主要影响到煤灰表面Ba、Na和Ca元素的分布,而O₂浓度是影响准东煤灰表面微观形貌的主要因素。     

五彩湾煤在O2/CO2燃烧条件下的积灰特性

锅炉燃用准东煤极易发生严重的受热面积灰结渣等问题,制约了新疆准东地区煤炭资源的大规模利用。在一维沉降炉燃烧与积灰试验系统上,研究了准东五彩湾煤的积灰特性,分析了稀释气体种类、O_2/CO_2燃烧中氧浓度对飞灰沉积的影响。结果表明:在21%氧浓度下,与稀释气体为N_2相比,稀释气体为CO_2时得到的沉积灰颗粒之间黏连现象不明显,积灰倾向较弱; O_2/CO_2燃烧条件下,随着氧浓度提高,五彩湾煤的积灰倾向加重,细散灰颗粒减少,球形灰颗粒比例增加,灰颗粒的黏连现象加重。SEM-EDS分析结果表明:O_2/CO_2燃烧中随氧浓度的提高,沉积灰中的块状灰颗粒表面缩孔及凹坑增多,且灰颗粒表面黏附了白色细散絮状灰,Na和Cl的富集加重,这是造成高氧浓度燃烧受热面积灰加剧的重要原因;稀释气体种类对五彩湾煤积灰倾向的影响研究中,稀释气体为N_2(空气燃烧)时,Na和Cl含量明显高于稀释气体为CO_2(O_2/CO_2燃烧)时的含量。此外,燃烧稀释气体为N_2的沉积灰中还出现了Ca和S元素的富集,高温下CaO与硅铝酸盐发生反应生成低温共熔体,这也是空气燃烧时积灰较O_2/CO_2燃烧严重的重要原因。XRD分析结果在一定程度上佐证了EDS的分析结论,灰分中CaSO_4、NaCl等低熔点物质的富集导致了空气燃烧工况和O_2/CO_2高氧浓度燃烧工况积灰的加剧。燃烧的颗粒温度差异是导致O_2/CO_2燃烧和空气燃烧积灰特性不同的主要原因,也是造成不同氧浓度下O_2/CO_2燃烧积灰特性差异的主要原因。煤燃烧的颗粒温度较高时,煤粉着火、燃烧性能得到改善,更高的颗粒温度会导致烟气中出现更多的熔融灰,灰颗粒表面出现熔融相进而增强了灰表面的黏性,加剧积灰现象。     

碱性氧化物对煤灰熔融特性影响的研究进展

准东煤中的钠、钙含量较高,导致在燃用过程中锅炉受热面发生严重的结渣。煤灰的结渣问题与煤灰的熔融特性密切相关,灰中碱性氧化物对灰熔融特性具有重要的影响。本文综述了碱性氧化物对煤灰熔融特性的影响。现有的研究表明,添加Na_2O可以显著降低灰熔融温度,钠长石、霞石等低熔点含钠矿物质的生成及其形成的低温共熔体是灰熔融温度降低的主要原因。灰中K_2O主要以伊利石的形式存在,对灰熔融温度的影响较小。随灰中CaO和MgO含量的增加,灰熔融温度具有先降低后升高的变化趋势,矿物质熔点的变化是灰熔融温度变化的主要原因。灰中Fe_2O_3的存在形式与反应气氛有关。在还原性气氛下,铁主要以FeO的形式存在,铁橄榄石、铁尖晶石等含铁矿物质容易形成低温共熔体,使灰熔融温度降低。未来应着重研究碱性氧化物对准东煤灰熔融特性影响的机理,开发抑制准东煤结渣的高效添加剂。     

准东煤及其混煤燃烧与结渣特性

准东煤田是我国目前最大的整装煤田,煤质总体呈现中高水分、中高挥发分、低灰、低硫、低磷、中等热值、反应活性好等特点,是大规模煤化工、煤电气联产优质原料。但准东煤中较高的Na、Ca含量影响锅炉正常运行,限制了准东高钠煤的燃烧利用,目前电厂主要通过掺烧低钠煤方式加以利用。为考察准东煤及其混煤燃烧与结渣特性,在五彩湾电厂采集了准东煤(ZD)和乌东煤(WD)等2种原料煤。采用热重分析仪研究30%、50%和80%等不同配比下混煤燃烧特性,并分析响应配比下煤灰特性变化规律。结果表明,准东煤混煤燃烧的DTG曲线有2个特征峰。随准东煤配比增加,混煤燃烧TG和DTG曲线向低温区移动,DTG曲线特征峰更明显;混煤燃烧特征温度逐渐降低,最大燃烧速率与综合燃烧特性指数先降低后升高,混煤灰熔融温度逐渐降低。准东煤相对乌东煤具有较高的碱性氧化物和较低的酸性氧化物含量,准东煤配比越高相应的SO_3、CaO、Na_2O的含量越高结渣倾向性更强。但部分指标并不能准确预测结渣强弱,如准东煤硅铝比为1.67,而乌东煤硅铝比为3.02,依据硅铝比判断结渣倾向性与事实不吻合。另外,煤中CaO含量大于30%后继续增加则灰熔融温度升高,是准东煤比乌东煤具有更高灰熔融温度的原因,随准东煤配比增加,混煤灰熔融温度呈明显降低趋势。燃烧结渣与沾污倾向指标主要有基于煤灰成分和基于煤灰熔融温度的指标,总结分析以往结渣与沾污预测指标结合试验结果认为:基于煤灰成分的碱酸比以及基于煤灰熔融温度的特征温度差值(FT-DT)是判别准东煤及其混煤结渣与沾污倾向性的理想指标。     

O_2/CO_2气氛下生物质三组分的燃烧特性

采用热重分析法对生物质三组分(纤维素、半纤维素和木质素)进行O_2/CO_2燃烧特性实验,分析了不同气氛(O_2/N_2和O_2/CO_2)、氧体积分数(10%,21%和40%)和升温速率(10℃/min,20℃/min和30℃/min)对三组分O_2/CO_2燃烧特性的影响.结果表明:与O_2/N_2气氛相比,在O_2/CO_2气氛下三组分燃烧过程存在不同程度的延迟,主要体现在焦炭燃烧阶段;由于木质素焦炭质量分数较高,因此其燃烧延迟相较于纤维素和半纤维素更加明显.O_2/CO_2气氛下,由于三组分氧含量较高,氧体积分数增大对三组分挥发分燃烧阶段影响较小;而氧体积分数增大对焦炭燃烧阶段产生了明显的影响,使其向低温区移动,综合燃烧特性明显改善.O_2/CO_2气氛下,升温速率增大,三组分燃烧过程整体向高温区移动;在挥发分析出燃烧阶段,纤维素与半纤维素的失重速率显著增加,在焦炭燃烧阶段,木质素失重速率显著增加;三组分综合燃烧特性得到改善.相比于纤维素与半纤维素,木质素综合燃烧特性指数较低,综合燃烧特性相对较差.     

准东粉煤不均匀熔融规律研究

针对准东煤燃烧过程中存在的结渣问题,采用浮沉法将准东原煤分成不同密度子样,测定了各密度级别灰样的化学组成、矿物组成、煤灰熔融温度和烧结温度,探索准东煤灰微观不均匀熔融规律,揭示准东燃烧结渣机理。结果表明,准东煤粉主要分布在1.40~1.50 g/cm3。煤粉密度从1.50g/cm3升至1.60 g/cm3时,煤灰中SiO_2含量从28.82%提高至60.27%,CaO含量从29.91%降至3.96%,Fe_2O_3含量则从5.85%提高至12.68%,MgO含量从9.09%降至1.92%;软化温度从1 297℃降至1 127℃,烧结温度则从551℃升高至1 000℃。不同密度煤粉颗粒中化学组成和矿物组成的分化导致灰熔融性的不均匀分布,而其灰成分的特殊性导致了熔融温度和烧结温度变化趋势的差异。     

O2/CO2气氛下烟气物性参数对燃煤锅炉对流传热影响的模拟研究

新疆准东煤作为一种可开发利用前景广阔的高碱金属煤种,易沾污结渣特性极大限制了其高效利用。前人大量研究了准东煤在常规气氛下的燃烧特性,但鲜见其在富氧气氛下的燃烧和传热特性研究。为了研究富氧气氛下燃用准东煤对碱金属释放及换热器传热性能的影响,运用化工流程分析软件Aspen Plus建立空气和富氧气氛下准东煤燃烧工艺流程模型并进行反应模拟。通过控制氧燃比恒定并调节O_2/CO_2配比进行变工况分析,使准东煤燃烧绝热火焰温度与空气气氛下较为接近,对应工况下锅炉内具有相似的温度分布。借助吉布斯反应器模拟得出反应物系在满足相平衡和化学平衡的条件下所得产物组分及状态参数、Na元素的赋存与转化规律,为预测Na元素释放形式提供参考。由于富氧燃烧烟气富含高浓度CO_2且水蒸气含量增加,富氧燃烧方式下燃煤烟气的传热特性将发生显著差异。运用带有Boston-Mathiasα函数的Peng-Robinson立方状态方程(PR-BM物性方法)对准东煤在空气和富氧气氛下燃烧产生的烟气进行物性估算,对比分析不同气氛下烟气密度、比热容、导热系数、黏度随温度的变化规律,为分析空气及富氧气氛下准东煤燃烧烟气的对流传热特性差异提供更为准确的参数。采用外掠管束强制对流传热修正计算方法分析了不同燃烧气氛下锅炉烟道内各对流受热面的传热性能。并采用CFD软件对一束高温再热器管屏进行"烟气-管壁-蒸汽"流固耦合传热数值模拟,对比空气及富氧气氛下燃煤烟气物性参数对换热器传热系数的影响。结果表明:40%O_2/60%CO_2气氛下,Na元素释放规律与21%O_2/79%N_2基本一致。随着烟温的降低,Na存在形式逐渐由NaCl和NaOH向Na2SO_4转变。但烟气再循环的富集作用会加剧准东煤灰沾污结渣。由于富氧燃煤烟气中三原子气体浓度增加,物性参数发生变化使得对流传热性能增强,各对流受热面传热系数为常规工况的1. 24～1. 27倍。在换热器结构和烟气及蒸汽入口流速、温度相同时,富氧工况下再热器各管圈对流传热系数较常规工况增加约21. 43 W/(m~2·K),出口蒸汽平均温度提高约11. 32 K。     

O_2/CO_2燃烧技术的研究现状及进展

分析总结了不同规模燃烧实验装置所获得O_2/CO_2气氛下煤粉颗粒燃烧的研究现状和研究成果,并对未来O_2/CO_2燃烧技术的发展进行了展望。研究结果表明,在相同O_2浓度下,O_2/CO_2气氛中煤粉燃烧气体和颗粒的温度要比O_2/N2气氛低,并且燃尽时间延长,NOx生成量降低。提出无焰富氧燃烧技术和增压富氧燃烧技术是两种具有较大发展前途的新型燃烧技术。     

锅炉全烧准东煤沾污结渣特性分析

针对燃烧新疆准东煤存在结渣、沾污等问题,在新疆宜化150 t/h锅炉全烧准东煤进行实炉测试试验。在全烧准东煤期间,对锅炉炉膛水冷壁、过热器、低温受热面、底渣的结渣形态观测,对以上各部位渣样取样分析。结果显示,锅炉全部燃烧准东煤时存在严重的结渣与沾污问题。结合实验室试验研究及本次实炉测试试验,认为结渣、沾污主要原因是由于煤中钠的氯化物、氧化物、单质气化后形式挥发到烟气中冷凝在高温管壁,与烟气SO_2、Fe_2O_3等化合生成硫酸盐沉积,煤中铁矿石分解后与CaO、Al_2O_3等形成低温共融化合物,降低灰熔融性温度,增加准东煤灰结渣、沉积倾向,煤中高钙、高水分加速了烟气低温段的积灰。     

O_2/N_2与O_2/CO_2气氛中水泥生料碱金属挥发情况对比研究

O_2/CO_2燃烧技术在水泥行业的应用会导致水泥生料中碱金属的挥发特性发生改变。本文利用LIBS检测技术分析了CO_2浓度对Na、K挥发特性的影响,同时还探究了不同CO_2浓度下温度对Na、K挥发特性的影响。研究结果发现:CO_2气氛会对水泥生料中碱金属的释放有抑制作用,且CO_2气氛对K与Na的影响效果不同。随着温度的增加,两种碱金属的挥发比例也随之升高。CO_2气氛对Na挥发特性的影响随着温度上升而减弱,但其对K挥发特性的影响却随着温度上升而增强。     

不同还原性气氛下ZJX煤灰结渣行为研究

以淮南矿区ZJX煤为研究对象,利用高温管式炉研究高灰熔点煤灰在不同还原气氛下的煤灰团聚(结渣)特性,探索高灰熔点淮南煤在气流床气化干法排渣技术中煤灰的结渣行为;考察了气氛对煤灰团聚(结渣)的表观形貌、机械强度的影响,采用X-射线衍射仪、扫描电镜研究不同气氛下渣样的晶体矿物转化、表面熔融状态。结果表明:随着通入气氛的还原性增强,1100℃ZJX的煤灰由团聚逐渐变成严重结渣,在N_2∶CO=6∶4气氛下,1100℃时渣样表面已出现熔融现象,晶体矿物出现硬石膏和莫来石,并且随着还原性气氛的增强,硬石膏、金红石和石英等晶体矿物相互反应,产生表面熔融是引起煤灰粘结的主要原因。     

O_2/CO_2气氛下煤中汞的释放特性

在立式管式炉实验装置上研究了O_2/CO_2气氛下煤中汞释放特性,考察了21%O_2/79%N_2和21%O_2/79%CO_2两种气氛下Hg~0(g)的释放特性、富氧气氛下O_2和CO_2浓度对Hg~0(g)释放特性的影响。结果表明:汞质量平衡率为83.75%~114.1%,验证了实验结果的准确性。在250~400℃之间,O_2/N_2气氛中Hg~0(g)的释放浓度高于O_2/CO_2气氛;在400~600℃范围内,O_2/CO_2气氛中Hg~0(g)的释放浓度略高于O_2/N_2气氛;富氧气氛下O_2浓度越高,Hg~0(g)的释放浓度越低,O_2对Hg~0(g)的氧化具有促进作用;富氧气氛下CO_2浓度由0升至30%时,其浓度变化对Hg~0(g)氧化的影响不大,而由30%升至50%时,Hg~0(g)的释放浓度增加,高浓度的CO_2可能会抑制Hg~0(g)的氧化。     

高温高压快速加氢热解褐煤残渣的燃烧特性

利用热分析技术研究了催化剂Ca(CH_3COO)_2,Fe_2O_3,K_2CO_3和CH_3COONa,升温速率10℃/min,15℃/min和20℃/min及O_2/N_2和O_2/CO_2气氛对朔州褐煤高温高压快速加氢热解残渣燃烧特性的影响。结果表明:催化剂能使残渣的TG-DTG曲线向低温区移动,最大失重峰对应的温度显著降低,着火指数、燃尽指数和综合燃烧特性指数增大,催化剂对残渣的燃烧有促进作用,影响程度由高到低的顺序为CH_3COONa,K_2CO_3,Fe_2O_3,Ca(CH_3COO)_2。提高升温速率,残渣的DTG曲线逐渐向高温区移动,着火指数、燃尽指数和综合燃烧特性指数增大,能够有效改善残渣的燃烧性能。同种气氛下,着火指数、燃尽指数和综合燃烧特性指数随氧气体积分数增大而增大;相同氧气体积分数时,残渣在O_2/N_2气氛下燃烧的着火指数、燃尽指数和综合燃烧特性指数均大于其在O_2/CO_2气氛下燃烧的相应特征指数,这可能与CO_2的比热容及扩散系数有关。     

高钠煤气化过程中的灰化学研究进展

煤气化是发展煤基大宗化学品及清洁燃料的关键技术，也是实现双碳目标的重要途径。准东高钠煤中碱金属钠含量高，气化过程中碱金属钠释放造成严重的灰释放问题，因此，探究准东高钠煤在气化过程中灰沉积、结渣机理及煤灰流动性对准东煤的清洁高效利用具有重要意义。鉴于此，综述了近年来气化过程中高钠煤的灰化学研究最新进展。总结了煤中钠的赋存形态及含量，阐明了气化过程中钠的迁移转化机制及钠释放导致气化炉受热面造成的灰沉积、结渣问题。由于高钠煤中钠释放主要受气化温度的影响，因此成灰温度不宜高于500℃。气化过程中易生成熔点低的含钠矿物质，降低高钠煤煤灰熔融温度。高钠煤中钙、铁含量高时，煤灰中钙长石及钙铝黄长石在高温下生成低温共晶体、Fe²⁺与煤中矿物质反应形成低熔点尖晶石均是加剧煤灰熔融的重要原因。同时，热转化过程中气氛对高钠煤中矿物演化具有一定影响。高钠煤灰的熔融区间窄，熔融速率快，表明高钠煤灰流动性强，由于Na⁺的离子势较低，O^2-被Si⁴⁺夺取，导致桥氧键断裂成非桥氧键，熔渣网格结构解聚，黏度降低，其熔融机理符合“熔融...     

基于热重-质谱联用的煤粉富氧燃烧动力学及污染物生成特性

富氧燃烧是最具工业化前景的燃烧中碳捕集技术之一,为更深入掌握煤粉富氧燃烧的着火模式和污染物生成特性,本文构建了热重-质谱联用实验系统,以烟煤和无烟煤标准煤样为对象,针对3个不同的氧气体积分数:21%、30%和50%,研究了O_2/Ar和O_2/CO_2气氛下煤粉的富氧燃烧特性。结果表明,O_2/CO_2气氛下煤粉着火温度和燃尽温度均降低,燃烧速率提高,燃烧时间缩短;两种煤粉在O_2/Ar气氛下的燃烧都属于非均相着火,而富氧燃烧都属于均相着火模式;氧气体积分数在30%以上时,无烟煤O_2/CO_2燃烧的表观活化能明显低于O_2/Ar气氛,在相同工况下烟煤的表观活化能均低于无烟煤;O_2/CO_2气氛促进了CO和挥发分NO的逸出,生成温度均低于O_2/Ar气氛,CO会对NO起到还原作用。     

煤矸石及煤泥燃烧过程重金属排放特性

煤矸石和煤泥是煤炭分选和开采过程中产生的固体废弃物,大量煤矸石、煤泥的堆存会产生一系列的环境和生态问题。燃烧发电是煤矸石、煤泥资源化利用的主要途径之一。煤矸石和煤泥中均含有一定量的重金属元素,如Hg、As、Pb等。在燃烧过程中这些有害元素的释放造成严重环境危害,因此研究煤矸石及煤泥燃烧过程重金属的排放特性意义重大。为考察煤矸石及煤泥在富氧气氛和空气气氛下燃烧时重金属的排放特性,研究了不同温度下平朔煤矸石和煤泥在O_2/CO_2气氛和空气气氛下燃烧时,As、Hg、Pb和Se的排放特性。采用Hydra-II测汞仪测量煤矸石、煤泥和灰中的Hg含量,采用ICP-AES测量煤矸石、煤泥和灰中的As、Pb和Se含量。研究结果表明,煤矸石及煤泥燃烧过程中,燃烧温度在500～1 000℃、O_2体积分数在20%～40%时,随着温度和O_2体积分数升高,煤矸石、煤泥的成灰比例降低。此外,煤矸石在O_2/CO_2气氛下燃烧时,随温度和O_2体积分数提高,As、Hg、Pb和Se在燃烧烟气中的占比升高,燃烧后所得灰占比降低。煤泥在O_2/CO_2气氛下燃烧时,随燃烧温度的升高,As、Hg、Pb更容易挥发到气相中;煤泥在空气气氛下燃烧时,As、Hg、Pb在烟气中的占比略高于相同温度、O_2/CO_2气氛下O_2体积分数为20%时的比例。     

O_2/CO_2气氛下多种碳基随机孔模型的建立

传统随机孔模型基于简单一步反应建立,不适用于处理O_2/CO_2气氛下焦炭颗粒复杂气固反应。针对此问题,基于焦炭本身具有多种碳基的特点,以及焦炭颗粒在O_2/CO_2气氛下燃烧的特性,建立复杂气固反应下的多种碳基随机孔模型和孔隙结构模型。模拟直径为100μm的焦炭颗粒在O_2/CO_2气氛下燃烧的过程,使用FORTRAN语言自主编程计算并分析结果。研究表明,燃烧初期颗粒呈现竞争效应,孔隙内部气体浓度产生剧烈波动。波动的生成原因是化学反应与物理扩散之间的竞争,可以通过增加环境氧浓度和减小焦炭颗粒粒径来改善。所提出的多种碳基随机孔模型对于表征O_2/CO_2气氛下焦炭颗粒的燃烧特性有着良好的适应性。     

O_2/CO_2气氛下悬浮态SiO_2对CaCO_3分解影响的实验研究

在空气和O_2/CO_2气氛下,采用悬浮实验平台考察了水泥生料重要要成分SiO_2对生料主要成分CaCO_3分解特性的影响,并求解动力学参数。研究结果表明:在空气气氛下,SiO_2对CaCO_3的分解几乎没有影响。在O_2/CO_2气氛下SiO_2对CaCO_3的分解有较强的抑制作用,分解时间延长,活化能升高。出现抑制的原因可能是在O_2/CO_2气氛下,CaCO_3分解比在O_2/N2气氛中困难,CaCO_3与SiO_2反应生成C2S,堵塞孔隙影响进一步分解。而在空气气氛下CaCO_3分解较为容易,C2S对其影响不明显。     

煤矸石灰添加对准东煤灰熔融特性影响

选取两种准东煤（ZDA和ZDB）为研究对象，利用灰熔融温度测定仪、X射线荧光光谱和X射线衍射仪考察了单一准东煤灰及其与煤矸石（CG）灰掺混后酸碱比、化学组成和矿物质演变对灰熔融特征温度的影响规律。结果表明高温下ZDA中主要矿物组分为霓辉石和赤铁矿等助熔矿物，而ZDB中以难熔矿物硫铝酸钙与镁硅钙石为主，导致ZDA灰熔融温度明显低于ZDB。随着CG灰质量分数增加，ZDA/CG与ZDB/CG熔融特征温度呈现先下降后上升趋势，分别在CG灰添加比40%和60%时出现最小值；当ZDA/CG与ZDB/CG酸碱比接近时，CaO与Fe₂O₃含量是影响变形温度与流动温度的主要原因。对于上述两种高碱性煤灰，含钙矿物对于灰熔融特性影响较大，而含钠矿物的影响相对较小。本文旨在为改善准东煤灰沉积倾向提供基础数据。     

O_2/CO_2条件下煤粉燃烧特性数值模拟研究

O_2/CO_2燃烧技术是燃烧后捕集和存储CO2的有效方法之一,研究CO2氛围的煤粉燃烧特性对于明确煤粉着火特性和锅炉温度场分布至关重要。本文运用FLUENT软件非预混燃烧模型对O_2/CO_2气氛下二维通道内煤粉燃烧过程进行数值模拟,针对两种典型Ⅲ类烟煤抚顺/水城煤种进行模拟,研究不同氧分压下煤粉燃烧的温度场分布,结果表明:在氧分压2%到20%范围内,随着氧分压的增加,由于有更多的O_2与煤粉反应,温度场分布高温区域有逐渐减小的趋势。在30%氧分压下,温度场分布高温区域变大,这主要是火焰温度过高,辐射区域较大的缘故。