题目

不同气体组分条件下煤灰颗粒熔融特性研究

作者

董子铮 鲍笑丹 沈中杰 

梁钦锋 许建良 刘海峰

作者单位

华东理工大学上海煤气化工程技术研究中心,200237 上海

研究背景

“双碳”背景下，煤炭的绿色低碳清洁高效利用至关重要。用煤核心设备如燃煤锅炉、气化炉等的稳定运行是确保煤炭清洁高效利用的前提，而这些设备运行工况和环境(如气体组分等)对煤灰的熔融特性影响显著，进而影响设备运行效率和排渣性能。目前的研究重点多为煤灰化学组成(Si、Al、Ca和Fe等元素及其氧化物)对煤灰熔融行为的影响。在煤灰熔融过程中，灰渣层收缩和膨胀会影响其传热性能，矿物化学转化及煤灰沉积层变化涉及相关物理和化学耦合行为研究较少。研究气体组分和升温速率对煤灰熔融特性的影响规律对于燃煤锅炉和气化炉的顺畅排渣和安全稳定运行具有重要意义。本研究以神府煤灰、神华煤灰和神木煤灰为原料，考察气体组分(CO2、N2和空气)和升温速率对三种煤灰熔融过程面积变化的影响，探究煤灰熔融前后的矿物转变规律，揭示煤灰熔融过程面积收缩和矿物转变的关系。

摘要 

为掌握气体组分对灰熔融特性的影响规律,探究矿物转变对灰熔融特性的影响,利用高温热台显微镜,对神府煤灰、神华煤灰和神木煤灰在高温CO2,N2和空气条件下,以10 ℃/min,50 ℃/min和100 ℃/min升温速率的熔融过程收缩性进行了原位可视化研究。利用热力学计算等方法研究了不同气体组分条件下实验煤灰熔融过程的矿物质变化。结果表明:升温速率对煤灰熔融过程面积收缩的影响大于气体组分对煤灰熔融过程面积收缩的影响,煤灰收缩性随着升温速率降低而增强;升温速率相同,神府煤灰、神华煤灰和神木煤灰在CO2条件下的收缩性均强于空气和N2条件下的收缩性,神府煤灰对CO2敏感性最强,收缩率为21.70%,而在N2和空气条件下的收缩率分别为17.12%和16.58%;相同气体组分下,神木煤灰在10 ℃/min升温速率下收缩率最大,可至32.36%。高温下神木煤灰的收缩主要受钠长石影响,神木煤灰的收缩性强于神府煤灰和神华煤灰的收缩性,原因在于高温下钠长石的收缩性强于钙长石和斜辉石的收缩性。

结论

1)随着温度升高,煤灰颗粒收缩,当温度达到实验煤灰的流动温度时,收缩率最大。升温速率较低(10 ℃/min)时,实验煤灰收缩性最强,收缩性随升温速率降低而增强。神府煤灰、神华煤灰和神木煤灰在CO2条件下的收缩性均强于在N2和空气条件下的收缩性。

2)升温速率在10 ℃/min,50 ℃/min和100 ℃/min之间变化对煤灰熔融过程收缩性的影响大于气体组分在CO2,N2和空气之间变化对煤灰熔融过程收缩性的影响。

3)升温速率和气体组分变化对煤灰收缩性产生影响的主要原因是矿物质对升温速率和气体组分变化的敏感性不同。钠长石在高温下的收缩性强于钙长石和斜辉石。此外,煤灰中Ca,Na和K等碱金属元素在煤灰熔融过程中会产生重要影响,需进一步探究其规律。

部分图片

图1 高温热台显微镜结构

图2 煤灰典型图像及ImageJ处理方法

图3 不同升温速率下神府煤灰面积和

面积收缩率随温度的变化

图4 不同升温速率下神府煤灰的

表面形貌和元素分布

图5 不同升温速率下神华煤灰面积和

面积收缩率随温度的变化

图6 不同升温速率下神华煤灰的

表面形貌和元素分布

图7 不同升温速率下神木煤灰面积和

面积收缩率随温度的变化

图8 不同升温速率下神木煤灰的

表面形貌和元素分布

图9 不同气体组分下煤灰面积

收缩率随温度的变化图10 CO2条件下煤灰熔融过程矿物变化

图11 神华煤灰熔融过程矿物变化

图12 不同温度下煤灰样品的XRD谱