不同氧化物对宁东煤灰熔融特性影响的实验研究

通过实验,研究探讨了不同氧化物对宁东煤灰熔融特性的影响规律。研究结果表明,煤灰熔融性温度随着CaO添加量的增加先降低、后升高;Fe_2O_3、Na_2O降低煤灰熔融特性温度的作用非常明显;添加Al_2O_3,可使煤灰熔融性温度持续升高。掌握了不同氧化物对煤灰熔融特性的影响规律,有助于扩大气化炉煤种适应范围。     

无烟粉煤催化气化含碱灰渣的煅烧脱碱

在具有温控的小型高温加热炉中,通过静态煅烧研究了温度、时间及助剂对高变质程度无烟粉煤催化气化后的含碱灰渣中碱含量的影响,结果表明：最佳的脱碱煅烧温度及时间分别为870℃和30 min;最佳的脱碱助剂高岭土在其添加浓度为5％时,灰渣脱碱率可达100％.采用X射线粉晶衍射及扫描电镜对煅烧后的灰渣进行表征,揭示了含碱灰渣煅烧脱碱过程的实质,即在适宜煅烧温度下,含碱灰渣中被活化的主要矿物质SiO₂（形成玻璃网络氧化物）、Al₂O₃（修饰中间氧化物）和熔融并分解的Na₂CO₃（分解为修饰网络氧化物Na₂O）等发生化学反应转变为中性物质霞石（NaAlSiO₄）及其他无定形复合硅酸盐,从而降低了灰渣中的碱含量.     

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。     

助熔剂对型煤灰熔融特征温度的影响

研究了高灰熔点型煤灰成分与灰熔融特性的关系,考察了Fe2O3, MgO, CaO和固体水玻璃助熔剂对型煤灰熔融温度的影响. 结果表明,碱性氧化物与灰中所含矿物质在高温下易形成低共熔混合物,能有效降低型煤灰熔融温度. 加入等量(11%, w)的MgO, CaO及固体水玻璃、Fe2O3,流动温度分别下降了22.0, 58.8, 81.2和91.9℃. 通过三元相图及XRD分析揭示了物相组成变化和矿物晶体的存在形式. CaO, 固体水玻璃和Fe2O3适宜的添加量分别为11%, 9%和9%. CaO和固体水玻璃对型煤还具有粘结和促进气化作用,更适合作为助熔剂.     

高温气化条件下高钙镁准东煤灰熔融性及矿物质演化

气流床气化是煤炭清洁高效利用的重要途径，而高钙镁准东煤因其灰熔融温度较高难以直接应用于液态排渣的工业气化炉，深入研究准东煤灰高温熔融机理对其气化应用具有重要指导意义。采用试验分析与热力学模拟计算手段研究了高温(1 100～1 500℃)气化条件下高钙镁准东煤灰熔融性及矿物质演化，并考察了SiO₂添加对原煤灰熔融性及矿物质演化的影响。结果表明，气化温度小于1 300℃时，高钙镁五彩湾煤灰中Ca主要以CaS形态存在于灰渣中，而Mg始终以MgO形态存在；气化温度升高至1 400℃后Ca基矿物质逐渐熔于液相并在1 500℃完全熔融，Mg则结合生成高熔点镁铝尖晶石，导致煤灰熔融温度较高。添加适量SiO₂可与煤灰中Ca、Mg结合生成易发生低温共熔的钙镁黄长石，从而显著降低煤灰熔融温度及液相线温度，所添加SiO₂与CaO结合的优先度高于MgO。此外，热力学平衡计算结果显示，即使在1 600℃高温平衡状态下，五彩湾煤灰中部分Ca、Mg仍以高熔点单一氧化物形态存在，因此原煤灰液相线温度较高，热力学计算结果可为煤灰熔融性预测及高温矿物质转化...     

高灰熔点煤灰熔融特性的可控调整研究进展

我国高灰熔点煤占煤炭储量的57%左右,直接用于气流床气化时将面临"积灰和堵渣"的问题,探索高灰熔点煤灰熔融特性的调控方法对气流床的稳定运行意义重大。主要分析了助熔剂和配煤对灰熔融温度的影响规律;并从矿物质演变机理的角度综述了助熔剂(Fe2O3,Ca O,Mg O,Na2O,K2O和复合助熔剂)、配煤和软件分析(FactSage软件热力学计算和Gaussian量子化计算)如何分析和实现高灰熔点煤灰熔融特性的可控调整;最后阐述了采用支持向量机进行煤灰熔融温度的预测存在精度高的优势。提出了寻找新型助熔剂以增强灰熔融温度调控的准确性和基于支持向量机模型建立煤灰成分与灰熔融温度的关联式,进而指导和优化气化配煤煤种和比例的选择,为高灰熔点煤的清洁高效利用提供理论支持。     

试验气氛对煤灰熔点测定结果的影响

煤灰熔融性(即灰熔点)不仅是评价工业用煤的重要指标,也是煤灰结渣特性的重要参数,直接影响煤的气化效果。以神华新疆化工有限公司所用红沙泉混煤和黑山混煤为例,按照《煤灰熔融性的测定方法》(GB/T 219—2008)的要求,通过改变封碳法中石墨粒的质量(即控制不同的试验气氛),探讨煤灰熔融性测定时试验气氛与煤灰熔融性之间的关系。结果表明,不同试验气氛对煤灰熔点(主要指流动温度)的影响不同,必须严格按照现场装置一样的气氛进行煤灰熔点的测定,所得数据才对工业生产具有指导意义;同时,利用煤灰熔融性变化的规律,可采用配煤、添加耐熔剂或助熔剂等方法改变或调控煤灰熔点,以满足气化工艺的要求。     

助熔剂对高灰熔点煤影响的实验研究

对山西两种高灰熔点煤添加不同比例的CaO和Fe2O3助熔剂后的熔融特性及其在高温下的矿物质行为进行了实验研究,用X射线衍射观察分析了不同温度下的煤灰矿物组成变化.结果表明,在弱还原性气氛下,两种助熔剂均可有效降低煤灰熔点,但不同的助熔剂对不同煤灰熔点降低的效果不同.当在煤灰中添加适量助熔剂时,煤灰熔点可达到最低,这是由于煤中矿物质在高温下与CaO,Fe2O3发生反应,最终形成低熔点共熔物,从而使得煤灰熔点下降.     

碱性氧化物对煤灰熔融特性的影响及机理研究

向延安子长禾草沟煤(2#煤)中添加不同含量的助熔剂碱性氧化物,研究碱性氧化物含量对煤灰熔融温度的影响,并结合X射线衍射和扫描电镜探讨添加助熔剂后煤灰的熔融机理.结果表明,几种氧化物中Na2O降低煤灰熔融点效果最好,可以使煤灰熔融温度从1 300℃降到1 195℃,降低幅度为105℃;其次是CaO,K2O和MgO,降低幅度分别为75℃,55℃和45℃.煤灰在熔融过程中,矿物成分的变化是导致煤灰熔融温度发生变化的主要原因.     

煤灰成分对煤灰熔融特性的影响

以神木西沟煤为煤样,研究了煤灰化学成分和灰熔融性的关系,考察了灰成分对煤灰熔融温度的影响,得出了提高煤灰熔点的最佳方法.实验结果表明,添加适量的氧化物会提高煤灰的熔融温度.要使灰软化温度超过1 350℃,SiO2的添加量至少4.0%,Al2O3的添加量至少2.0%,CaO的添加量至少2.0%.从工业生产实际出发,应考虑添加CaO,Al2O3或SiO2,即添加廉价的高岭土、石灰石、蒙脱土之类的添加剂,进而扩大煤的使用范围.     

影响煤灰熔融性温度的控制因素

论述了煤灰熔融性温度与测试气氛、煤灰成分、矿物组成等因素之间的关系。结果表明,不同测试气氛下的煤灰熔融性温度变化规律是不同的,煤灰的化学组成和矿物质类别明显影响着煤灰的熔融特性。利用煤灰熔融性温度的变化规律,采用配煤、添加耐熔剂或添加助熔剂等方法可以改变和控制煤的灰熔融性温度,以期适应不同排渣方式和气化工艺的选择。     

酸碱比值与助熔剂对煤灰熔融流动温度影响的研究

以我国62组重要商业用煤的煤灰化学成分和灰熔融性为研究对象,讨论了酸碱比值与灰熔融流动温度的关系,结果表明酸碱比值越大,流动温度越高。考察了助熔剂CaO和Fe2O3不同添加量对6组高灰熔点煤灰熔融流动温度的影响。实验表明:同一煤样中添加相同质量的助熔剂CaO和Fe2O3,对酸碱比值的改变相同,但是其助熔效果不同,因此酸/碱比值不可当做衡量煤灰熔融特性的唯一参数。以6种煤的实测数据为基础,对助熔剂CaO添加量的经验公式的准确性和适用性作了分析。由于煤种的多样性与灰成分的复杂性,使得经验公式具有局限性,助熔剂添加量的确定仍需实验测量。     

高岭石对神木煤灰熔融性的影响

本文研究了高岭石在弱还原气氛中对神木大柳塔煤灰熔融性的影响，考察了煤灰熔融时矿物组成的变化。实验结果表明，使煤灰的ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３比降低的高岭石能显著提高神木煤灰的熔融温度；借助ＣａＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２相图，可以解释神木煤灰－高岭石混合物的软化熔融机理。     

气化条件下煤灰熔融性研究

以CaO和Fe2O3为助熔剂,分别与7种煤样进行不同比例的混合,在气化条件下进行煤灰熔融性实验,降低煤灰熔融性温度,为生产合成气用煤的选择提供科学依据。实验结果表明,7种煤样的流动温度均能降至1400℃以下,煤灰添加CaO助熔剂时的灰熔融性温度变化比较稳定,而对Fe2O3助溶剂都较为敏感,仅在很小的含量范围内能达到最低点,而且规律性较差。     

煤焦气化反应过程中灰的熔融特性变化

抽样选出具有代表性的一种高灰熔点煤种和一种低灰熔点煤种,在TGA-51H型高温热天平上进行煤焦-O2、煤焦-CO2和煤焦-水蒸气气化反应实验,通过扫描电镜(SEM)考察了不同气氛下煤焦气化反应过程中高、低灰熔点煤灰的熔融变化过程,并利用EDX分析了灰的熔融机制。实验结果表明:同种煤样还原性气氛下的灰熔点比氧化性气氛下低;相同条件下灰在CO2气氛下的灰熔点比其在水蒸气气氛下低。在气化反应的过程中,由于气化反应为强吸热过程,大部分热量提供给煤炭气化反应,导致Ca与Fe元素的还原反应进行缓慢,灰熔融温度比较高。     

煤和生物质灰中氧化钾含量对灰熔融特性的影响

通过模拟煤和生物质的灰成分并测试其熔融温度,探究了不同成分的灰中K₂O对灰熔融特性的影响作用。利用FactSage 7.0对各组灰分的熔融过程进行了热力学模拟和平衡计算,从矿物质反应和变化的角度为不同组分的灰中K₂O对熔融特性的影响提供理论依据。利用XRD验证了计算中所预测的矿物质的存在。结果表明：灰中K₂O的含量对灰熔融特性的影响会受到灰分中硅、铝、钙等元素含量的影响。对于CaO含量较低的煤灰,适量增加K₂O的含量有助于降低灰分的初始变形温度、软化温度和半球温度,但对流动温度几乎没有影响;对于CaO含量较高的煤灰,适量增加K₂O的含量能够全面降低灰的熔融温度;对于生物质灰,当K₂O的含量低于30%时,增加K₂O的含量有助于降低灰熔点,继续增加K₂O的含量则对灰熔点几乎没有作用。     

配煤对煤灰熔点的影响及灰熔点预测模型研究

针对皖北刘桥二矿煤（A）属于高灰熔点煤,无法满足Shell气化炉液态排渣的需要。考察了采用配煤技术降低煤A的灰熔点的效果,结果表明,配煤可以显著的降低煤A的高灰熔融性。使其能够满足Shell气化炉液态排渣工艺的要求。并采用最小二乘法对灰熔点与煤灰灰成分之间建立并回归了预测模型,预测模型方程表明,若能增加配煤煤灰中MgO的含量可显著降低煤灰熔点,增加配煤煤灰中CaO的含量可使煤灰熔点降低,在煤灰中SiO2和Al2O3总含量一定的条件下,高硅低铝的配煤煤灰可进一步降低煤灰熔点。同时该模型能较好地预测三种原煤配煤的灰熔点。     

The application of molecular simulation in ash chemistry of coal

One of the crucial issues in modern ash chemistry is the realization of efficient and clean coal conversion. Industrially, large-scale coal gasification technology is well known as the foundation to improve the atom economy. In practice, the coal ash fusibility is a critical factor to determine steady operation standards of the gasifier, which is also the significant criterion to coal species selection for gasification. Since coal behaviors are resultant from various evolutions in different scales, the multi-scale understanding of the ash chemistry is of significance to guide the fusibility adjustment for coal gasification. Considering important roles of molecular simulation in exploring ash chemistry, this paper reviews the recent studies and developments on modeling of molecular systems for fusibility related ash chemistry for the first time. The discussions are emphasized on those performed by quantum mechanics and molecular mechanics, the two major simulation methods for microscopic systems, which may provide various insights into fusibility mechanism. This review article is expected to present comprehensive information for recent molecular simulations of coal chemistry so that new clues to find strategies controlling the ash fusion behavior can be obtained.     

The application of molecular simulation in ash chemistry of coal

One of the crucial issues in modern ash chemistry is the realization of efficient and clean coal conversion. Industrially, large-scale coal gasification technology is well known as the foundation to improve the atom economy. In practice, the coal ash fusibility is a critical factor to determine steady operation standards of the gasifier, which is also the significant criterion to coal species selection for gasification. Since coal behaviors are resultant from various evolutions in different scales, the multi-scale understanding of the ash chemistry is of significance to guide the fusibility adjustment for coal gasification. Considering important roles of molecular simulation in exploring ash chemistry, this paper reviews the recent studies and developments on modeling of molecular systems for fusibility related ash chemistry for the first time. The discussions are emphasized on those performed by quantum mechanics and molecular mechanics, the two major simulation methods for microscopic systems, which may provide various insights into fusibility mechanism. This review article is expected to present comprehensive information for recent molecular simulations of coal chemistry so that new clues to find strategies controlling the ash fusion behavior can be obtained.