高氯准东煤中典型矿物元素对颗粒物生成的影响

在高温沉降炉上,进行了高氯高碱准东煤、低氯低碱准东煤和由低氯准东煤处理制得的调质准东煤在含不同浓度HCl的模拟空气中的燃烧实验。利用DLPI进行了颗粒物的分级收集,对其质量粒径分布和矿物元素分布特性进行了讨论分析。结果表明,高氯高碱准东煤的超细模态颗粒物生成量和峰值粒径均明显大于其他两种煤,其主要成分为Na和Cl。Ca的迁移特性与其形态密切相关,原煤中的Ca主要以无机矿物形式存在,主要迁移进入粗颗粒物而对超细颗粒物生成贡献较小。气氛中加入不同浓度HCl气体后,低钠煤和调质煤产生细颗粒物中Cl含量均升高,但生成量无显著变化。表明HCl并未显著促进矿物的气化,但会促进NaCl形式矿物蒸气的形成,进而促进成核形成超细颗粒物。     

高氯准东煤中典型矿物元素对颗粒物生成的影响

在高温沉降炉上,进行了高氯高碱准东煤、低氯低碱准东煤和由低氯准东煤处理制得的调质准东煤在含不同浓度HCl的模拟空气中的燃烧实验。利用DLPI进行了颗粒物的分级收集,对其质量粒径分布和矿物元素分布特性进行了讨论分析。结果表明,高氯高碱准东煤的超细模态颗粒物生成量和峰值粒径均明显大于其他两种煤,其主要成分为Na和Cl。Ca的迁移特性与其形态密切相关,原煤中的Ca主要以无机矿物形式存在,主要迁移进入粗颗粒物而对超细颗粒物生成贡献较小。气氛中加入不同浓度HCl气体后,低钠煤和调质煤产生细颗粒物中Cl含量均升高,但生成量无显著变化。表明HCl并未显著促进矿物的气化,但会促进NaCl形式矿物蒸气的形成,进而促进成核形成超细颗粒物。     

富氧燃烧颗粒物生成和灰沉积特性研究进展

近年来,世界经济不断发展,人口不断增加,能源消耗随之持续增加,其中化石能源的使用使得全球二氧化碳排放总量居高不下。为了缓解全球碳排放上升趋势,中国承诺在2030年二氧化碳排放达峰并在2050年实现净零排放。为了实现这一目标,需要发展化石能源的清洁高效利用,其中富氧燃烧技术是最有前景的燃煤电厂碳减排技术之一,系统综述了富氧燃烧中的颗粒物生成和灰沉积现象,介绍了氧气浓度、压力及燃料特性对颗粒物生成和灰沉积特性的影响机理。富氧燃烧中生成的颗粒物主要可分为亚微米和微米颗粒,其中亚微米颗粒主要由灰分经气化、冷凝和凝聚过程形成,微米颗粒则主要伴随焦炭破碎过程形成。氧气浓度升高导致火焰温度升高,一方面更多的灰分在高温下气化,促进了亚微米颗粒的生成,另一方面高温加剧了碱金属蒸气和硅铝酸盐粗颗粒的交互反应,导致亚微米颗粒中碱金属含量降低。而压力的上升可能会抑制亚微米颗粒的生成。但氧气浓度和压力对微米颗粒的产率和成分影响均不显著。积灰主要通过惯性碰撞、热泳力、冷凝和化学反应形成。富氧燃烧中氧气浓度上升会促进积灰的生成,一方面因为烟气温度升高,颗粒物黏度降低而在碰撞到壁面后更易黏结形成积灰;另一方面因为亚微米颗粒增多,更多细颗粒可以通过热泳力迁移到换热器表面形成积灰。虽然氧气浓度对外层积灰的成分没有明显影响,但紧贴壁面的内层积灰由于含有较多亚微米颗粒,其成分变化与亚微米颗粒趋势相似。压力升高时,积灰中的硫含量增高而氯含量降低,但对积灰生成速率的影响暂不明确。     

燃煤过程中颗粒物的形成机理研究进展

介绍了煤粉燃烧过程中颗粒物的形成机理，包括亚微米飞灰和残灰颗粒的主要形成途径．亚微米颗粒主要来自无机物的气化-凝结过程，在高温条件下无机矿物首先以氧化物、次氧化物或原子的形式气化，当温度降低时，无机蒸气通过均相成核、异相冷凝、凝并、团聚等过程形成细微颗粒．残灰由残留在焦炭颗粒中的矿物转化而成，焦炭破碎和表面灰的聚合是决定残灰最终粒径分布的主要过程，除此之外，对于含外来矿物较多的煤种，矿物破碎对残灰颗粒的形成也有十分重要的影响．最后对燃煤过程中颗粒物的形成机理研究提出了建议．     

褐煤O2/CO2燃烧PM 10中重金属分布特性

通过在沉降炉中燃烧实验,研究了O2/CO2气氛下褐煤燃烧时PM10中重金属元素在颗粒物中的分布特性。结果表明,气氛对重金属元素分布的影响主要体现在亚微米颗粒范围内。与O2/N2燃烧相比,相同氧浓度O2/CO2燃烧PM10中的重金属向小粒径颗粒中富集。O2/CO2气氛下,氧浓度较低时重金属元素对亚微米颗粒物的生成贡献较大。     

徐州市城郊雾霾天气中PM_(2.5)物化及微生物特征分析

选择雾霾天气对徐州市城郊大气PM_(2.5)采样,利用SEM/EDS对采集后PM_(2.5)颗粒物的物化特性进行分析,并利用DGGE法分析PM_(2.5)颗粒物上微生物的群落结构。结果表明:滤膜上PM_(2.5)大多为亚微米系颗粒物,颗粒物多数表面光滑无棱角,存在C、O、S、Si、Al、K、Na、Ca、Mg、Fe等元素;PM_(2.5)中的微生物种群分属于3个细菌类群:壁厚菌门,β变形细菌门和绿弯菌门。     

660MW燃煤锅炉细微颗粒物中次量与痕量元素的分布特性

应用承重撞击器(DGI)采样系统在南昌某电厂2^#锅炉电除尘器前进行颗粒物采集,并同时采集了原煤样和底灰样。对飞灰的质量粒径分布、底灰和飞灰中次量与痕量元素的分布特性进行了分析。结果表明PM_1.0和PM_2.5质量分别占PM₁₀质量的16.0%~17.4%和46.9%~50.6%;Na、Mg、P、S主要富集在亚微米颗粒物中,Al、Si、Ca、Ti、Fe、K主要富集在超微米颗粒物中;随着颗粒物粒径的减小,As、Cd、Cr、Pb的浓度逐渐增大,且在亚微米颗粒物中的增幅大于超微米颗粒物,Mn在各级颗粒物中浓度相近;As、Cd、Cr、Pb大量富集于亚微米颗粒物之上,Mn在各级颗粒物中富集特性无明显差异,且各痕量元素挥发特性存在以下规律:As>Cd>Cr>Pb>Mn;文中给出了无控制条件下痕量元素的排放因子,PM_1.0中各元素排放比例存在以下规律:As>Cd>Cr>Pb>Mn。     

新疆高钙煤混烧对灰中含钙矿物熔融特性影响

选用一种高钙和一种高硅铝新疆煤,在沉降炉中进行不同比例的混煤和单煤燃烧实验。采用计算机控制扫描电镜（CCSEM）分别对燃烧后总灰矿物成分和粒径分布进行分析。基于CCSEM分析获取单颗粒灰成分数据,采用热力学平衡方法对灰中矿物液相比例进行计算,分析混煤燃烧对灰中含钙矿物熔融特性影响。结果表明,煤中有机结合态Ca极易与煤中其他矿物元素发生交互反应,交互反应后含钙矿物种类取决于煤中内在矿种类。混煤燃烧会促进灰中含钙硅铝酸盐向含钙复杂硅铝酸盐转化,同时促进含钙矿物的熔融。在低温条件下,混烧煤灰中熔融含钙矿物粒径分布受碱金属粒径分布影响;但是高温条件下,混烧促进熔融含钙矿物向大粒径煤灰迁移。     

准东煤燃烧中矿物质转化行为的CCSEM研究

在沉降炉中进行了准东煤的燃烧实验,利用计算机控制扫描电镜技术(computer controlled scanning electron microscopy,CCSEM)研究了煤中矿物质的转化行为。研究表明煤中主要矿物为方解石、高岭石、含铁类物质以及未分类矿物,燃烧后灰中石英、铁的氧化物、白云石的含量急剧增加,未分类矿物和方解石的含量下降。同时对3种重要致渣元素Na、Fe、Ca在燃烧前后的矿物转化行为及颗粒粒径分布进行了详细研究。     

准东煤燃烧中矿物质转化行为的CCSEM研究

在沉降炉中进行了准东煤的燃烧实验,利用计算机控制扫描电镜技术(computer controlled scanning electron microscopy,CCSEM)研究了煤中矿物质的转化行为。研究表明煤中主要矿物为方解石、高岭石、含铁类物质以及未分类矿物,燃烧后灰中石英、铁的氧化物、白云石的含量急剧增加,未分类矿物和方解石的含量下降。同时对3种重要致渣元素Na、Fe、Ca在燃烧前后的矿物转化行为及颗粒粒径分布进行了详细研究。     

煤粉密度对燃煤过程中颗粒物形成特性的影响[

通过浮选实验先将典型烟煤分成高、中、低3个密度段，然后对3种不同密度原煤在沉降炉内进行热解和燃烧实验，研究原煤密度对颗粒物形成机理和特性的影响。实验采用低压撞击器（LPI）把颗粒物按不同粒径大小从0.03～10.0 μm共分13级，分别采集燃烧后的可吸入颗粒物。实验结果显示：低密度原煤对颗粒物形成的贡献最大，中密度次之，高密度最小，低密度原煤所含矿物质粒度最小，形成的焦的膨胀率、总孔体积和BET表面积最大，高密度原煤所含矿物质粒度最大，形成的焦的膨胀率、总孔体积和BET表面积最小，中密度原煤介于两者之间，3种密度原煤燃烧后形成的PM10颗粒物元素构成的相同点是：对于亚微米颗粒物，元素S＋碱金属元素＋其他元素>难熔元素，对于超微米颗粒物，难熔元素占80%以上，远远大于其他三类元素。     

高温富氧燃烧过程中煤灰特征元素对煤粉成灰特性的影响

沾污结渣是富氧燃烧锅炉运行的主要问题之一,由于CO2和N2辐射传热和化学性质的差异,富氧锅炉内壁沾污结渣情况更加严重。近年来学者针对富氧情况下煤灰的沾污结渣情况进行了系统分析,得出了较为详实的结果,但仍缺乏富氧情况下基于煤灰内特征元素和气氛对于煤粉燃烧成灰的相关研究。选取煤粉结渣中的关键元素Ca、Na、Fe作为特征元素,选取特征元素的氧化物或氢氧化物作为添加剂,选取灰成分以Al、Si为主的山西无烟煤作为试验煤样,定量研究富氧情况下特征元素对于煤粉高温成灰特性的影响。结果表明,特征元素含量较高时,相比较空气气氛,富氧气氛下煤粉的反应时长减少20～50 min,且随氧气浓度增大,煤粉反应时长逐渐增加;高Fe煤和高Na煤的灰熔融温度比基准煤降低了150℃左右,但Ca对于煤灰的变形温度影响不明显;富氧情况下,高Ca煤中随着氧气浓度升高,出现钙硅铝酸盐和莫来石晶相,随温度升高,钙长石等硅铝酸盐生成,Na、Fe等元素非晶相化加强;高Fe煤中Fe随着氧气浓度升高从氧化物向硅铝酸铁转变,随温度升高,顽火辉石与磁铁矿含量升高,钙铁硅氧化物含量先增加后减少;高Na煤得到的低氧煤灰Na主要以霞石成分存在,氧气浓度升高导致其逐渐转化形成硅酸钠盐;随温度升高,Na的形态会从稳定的酸式盐向硅酸钠盐或其他稳定非晶体转变。     

准东煤高温燃烧过程中含钙矿物质的转化规律

采用3种萃取液（水、醋酸铵和盐酸）对准东煤进行逐级萃取实验,使用高温气氛炉对准东原煤及萃取后的煤样进行燃烧实验,使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪和X射线衍射物相分析仪对萃取前后的固体煤样及燃烧后煤灰样品分别进行Ca元素分析和矿物检测。研究结果表明,准东煤中的钙元素主要以醋酸铵溶钙和盐酸溶钙形式存在。在燃烧过程中,准东煤中含钙矿物质与含硅、含铝矿物质反应生成硅钙石、斜硅钙石与钙铝石等;其中经水萃取后碱酸比减小,灰熔融温度升高,盐酸溶钙与含硅、含铝矿物质反应生成硅钙石、硅铝石等,不溶钙主要以稳定的硅铝酸盐形式存在。     

热重法研究逐级脱矿对褐煤燃烧特性的影响

以胜利褐煤和昭通褐煤为研究对象,采用H_2O、HCl/CH_3COONH_4及CH_3COONH_4/HCl/HF对褐煤进行逐级脱矿处理,利用XRF、XRD和SEM对褐煤中的矿物质种类、含量及其形貌进行分析,采用热重法对比分析了脱矿前后煤样的燃烧特性及动力学反应过程,分析了矿物质对褐煤燃烧特性的影响。结果表明:两种褐煤中的主要矿物元素为Si、Al、Fe、S及碱/碱土金属元素,主要矿物组成为石英、高岭石、云母、石膏、方解石和黄铁矿;3种脱矿方式的矿物质脱除率分别为:胜利褐煤1.22%、32.49%、97.90%,昭通褐煤0.47%、26.41%、94.79%;原煤及脱矿煤的综合燃烧指数S的大小顺序为:原煤HCl/CH_3COONH_4脱矿煤H_2O脱矿煤CH_3COONH_4/HCl/HF脱矿煤,胜利及昭通褐煤呈现相同的规律。三级脱矿处理显著改善了煤的综合燃烧性能。煤中以羧酸盐形式、配位键形式存在于含氧或含氮官能团上的碱及碱土金属对煤的燃烧存在促进作用。煤中水溶性矿物质对燃烧具有抑制作用。褐煤燃烧从着火温度到燃尽温度这一温度区间满足一级反应方程,且线性相关性系数R均在0.985以上。     

高碱煤中碱金属及氯元素析出特性

煤灰的理化特性与灰化温度密切相关,试验研究了不同灰化温度下高碱煤中碱/碱土金属以及氯元素的析出特性,分别采用X射线荧光光谱分析(XRF)与电感耦合等离子光谱分析(ICP-OES)对样品成分进行分析,并对结果进行对比。结果表明,煤的灰分和煤灰中的碱金属含量随灰化温度的升高而降低,碱土金属含量变化不大;Cl元素析出温度低于500℃,且在815℃前基本完全析出;Na元素的析出特性与煤中Cl元素含量密切相关;低温灰化造成高灰分煤种碳燃尽困难,但对碱金属测量造成的相对误差有限,ICP-OES对于元素含量测试的结果低于XRF,但2种测试方法获得的碱/碱土金属元素含量随灰化温度的变化趋势一致,前者具有更高精度,因而推荐采用ICP-OES测试方法测量碱/碱土金属的含量。     

准东煤高温燃烧过程中含钙矿物质的转化规律

采用3种萃取液(水、醋酸铵和盐酸)对准东煤进行逐级萃取实验,使用高温气氛炉对准东原煤及萃取后的煤样进行燃烧实验,使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪和X射线衍射物相分析仪对萃取前后的固体煤样及燃烧后煤灰样品分别进行Ca元素分析和矿物检测。研究结果表明,准东煤中的钙元素主要以醋酸铵溶钙和盐酸溶钙形式存在。在燃烧过程中,准东煤中含钙矿物质与含硅、含铝矿物质反应生成硅钙石、斜硅钙石与钙铝石等;其中经水萃取后碱酸比减小,灰熔融温度升高,盐酸溶钙与含硅、含铝矿物质反应生成硅钙石、硅铝石等,不溶钙主要以稳定的硅铝酸盐形式存在。     

1000MW燃煤机组负荷变化对飞灰特性的影响

燃煤机组变负荷调峰运行是提高可再生能源消纳能力的重要举措，但会对燃烧过程及系统产生重要影响。飞灰特性与锅炉结渣、除尘设备性能、颗粒物排放等密切相关，笔者研究了燃煤锅炉负荷变化对飞灰特性的影响规律，用于指导炉膛沾污结渣和颗粒物排放等相关问题的防控。针对1 000 MW燃煤锅炉，在60%和90%运行负荷下分别采集飞灰样品，利用先进的计算机自动控制扫描电镜(CCSEM)技术对飞灰化学和矿物成分、粒径分布以及形状特征进行深入表征，采用数字成像煤灰熔点分析仪对飞灰熔融温度进行分析，揭示了锅炉运行负荷变化对飞灰特性和熔融行为的影响。研究结果表明锅炉在不同运行负荷条件下飞灰化学成分相似。无机矿物元素交互作用是影响飞灰粒径分布的关键因素，低负荷运行工况下煤中含Ca和Fe的矿物与硅铝酸盐交互反应减弱，飞灰整体粒径分布向小粒径迁移，飞灰的D₅₀(小于该粒径的颗粒占50%)由约40μm减至约30μm。相比高负荷运行工况，低负荷运行工况下飞灰在炉膛中的熔融受抑制，熔融飞灰比例相比高负荷运行工况降低约10%,低负荷运行条件下燃烧温度降低是导致飞灰熔融比例降低的主要原因。     

H2O(g)对富氧燃烧超细颗粒物生成特性影响

为实现富氧燃烧技术的广泛推广,对煤粉燃烧在富氧气氛下的颗粒物排放特性进行了研究。在1800 K管式炉内进行煤焦燃烧试验,研究了富氧气氛下H₂O(g)体积分数(0、5%、10%、20%、30%)对煤焦燃烧超细颗粒物的影响;采用荷电低压撞击器(ELPI+)获得超细颗粒物质量和数量浓度粒径分布并进行分析。结果表明,H₂O(g)对超细颗粒物质量浓度和数量浓度粒径分布无影响,但会导致超细颗粒物的峰值波动。超细颗粒物总数量由最小粒径超细颗粒物决定,5种水蒸气浓度下EL?PI+第1级撞击器收集到的超细颗粒物数量占比均超过65%。超细颗粒物总质量由最大粒径超细颗粒物决定,5个水蒸气浓度下ELPI+第7级撞击器收集到的超细颗粒物质量占比均超过94%。低H₂O(g)浓度会抑制超细颗粒物生成,H₂O(g)体积分数为5%时的抑制作用最显著;高H₂O(g)浓度会促进超细颗粒物生成。这是因为一方面H₂O(g)与煤焦发生气化反应,使煤焦颗粒周围产生还原性气氛,促进矿物质还原为单质,进一步促进矿物质蒸发;另一方面气化反应是吸热反应,会降低煤焦颗粒燃烧温度,同时H₂O(g)加入也导致烟气热容增加进一步降低,煤焦燃烧温度抑制煤中矿物质的蒸发,导致超细颗粒物生成减少,是2种作用相互竞争的结果。此外,H₂O(g)的加入使超细颗粒物平均粒径增大,0~5%H₂O(g)时超细颗粒物平均粒径增大最迅速。     

燃煤锅炉SCR对颗粒物排放特性影响

我国电厂多数采用选择性催化还原(SCR)脱硝技术降低电厂NOx排放,目前关于电厂中SCR对颗粒物排放特性的影响研究十分匮乏。本研究对一热电联产锅炉SCR前后颗粒物和飞灰进行取样,分析颗粒物质量粒径分布以及化学成分。采用计算机控制扫描电镜(CCSEM)对飞灰进行分析,获得颗粒物单颗粒成分。结果表明SCR前后PM10均呈双峰分布。经过SCR后,PM0.21浓度降低约62%(质量),而PM_(0.21-1)浓度升高19%(质量);PM1中SO_2相对含量增加约6%(质量),SiO_2和Al_2O_3相对含量降低,而CaO相对含量没有明显变化;经过SCR后,PM_(1-10)浓度降低约17%(质量),成分基本没有变化,但是颗粒成分变得更均一,说明经过SCR后,PM_(1-10)发生交互作用。因此经过SCR后PM_(1-10)浓度降低不仅由于颗粒物在SCR中发生沉积,更有可能是颗粒物之间交互作用导致。     

合成煤中钠对煤燃烧及灰特性影响

准东煤中钠含量高，燃用时锅炉会出现严重结渣问题。通过向准东煤为原料制取的超纯煤中添加灰的模型化合物，得到合成煤。并在此基础上利用热重-差示扫描量热分析法（TG/DTG/DSC）、X射线衍射仪（XRD）和灰熔融温度测定分析手段，研究Na₂O含量对煤燃烧特性和灰熔融性的影响。结果表明：钠主要影响合成煤的着火温度（T_i）与焦炭燃烧阶段，钠含量增加使T_i升高，并且Na₂O在灰中质量分数由5%升高至8%后，钠含量增加使焦炭燃烧速率先减小后加快，并能够改善煤粉燃尽特性。钠能够降低灰熔融温度，并在Na₂O质量分数高于5%后，温度下降更加明显。在三元相图中钠对莫来石的助熔作用是造成灰熔融温度降低的重要原因。XRD分析表明Na₂O含量增加，充当骨架作用的石英在钠的助熔作用下与难熔矿物硅钙石、MgO等生成低熔点长石类矿物，这类矿物在高温下有助熔作用，能够降低灰熔融温度。同时还生成助熔性含钠矿物霞石，加剧了灰熔融。