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。     

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。     

准东煤灰熔融性与灰成分相关性分析

灰熔融性是判别结渣的主要依据之一,但部分准东煤灰熔融温度高,仍具有严重结渣倾向。为了分析准东煤灰熔融性与结渣倾向不吻合的原因,采用煤质数据对比分析法,研究了准东煤灰熔融性与煤灰成分的相关性,说明部分准东煤灰熔融性高主要是煤灰中碱性氧化物含量高引起,得出了准东煤的软化温度与煤灰中的碱性氧化物成分相关性较好,可用碱性氧化物含量/(碱性氧化物含量+酸性氧化物含量)或者当量碱性氧化物含量进行灰熔融性的初步判别,可为准东高钠煤的灰熔融性检测、锅炉设计及电厂的安全燃用提供参考和依据。     

配煤对催化气化工艺中煤灰烧结行为影响研究

针对易结渣煤种,研究不同配煤方式对煤灰熔融特性的影响,在催化气化工况气氛下利用压差法烧结温度测定实验装置对各煤灰进行初始烧结温度测试,并结合X射线衍射(XRD)及Factsage热力学软件计算结果表征分析煤灰的相关物理和化学变化,推测灰中矿物质间的反应及矿物的转变,研究矿物质变迁规律,揭示缓解结渣机理。结果表明,通过将高灰熔点、高硅铝含量煤种同易结渣煤种混配可缓解易结渣煤种的结渣问题,同高灰熔点煤混合可有效提高易结渣煤种灰熔点;混煤工艺不同,对灰熔点及烧结温度影响各异,这主要与催化剂在煤质上分布、催化剂存在形式不同及其与不同煤种中矿物质作用不一有关。     

神华石炭-侏罗纪煤掺烧的结渣性能

神华侏罗纪煤具有易燃、低硫、低灰等优点,但存在易结渣等不足之处;神华石炭纪煤结渣特性则明显优于前者;侏罗纪煤与石炭煤掺烧,可充分利用石炭煤灰的高熔融温度特性以降低混煤的结渣倾向,并保持侏罗纪煤的易燃特性以提高混煤的火焰稳定性,具有低硫、低灰、较高热值、较低钙含量、低结渣、易燃烧等优点,保证了神华配煤在以非神华煤设计的锅炉中不会带来运行上的困难。笔者通过试验提出的神华两类煤掺烧结渣趋势变化图可为神华配煤方案的设计提供依据。     

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。     

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。     

准东煤燃烧过程中碱金属迁移规律

由于准东矿区地域宽阔,不同地区的准东煤性质存在一定差异。为了探求某准东煤的结渣沾污机理,在卧式管式炉及一维沉降炉中进行不同工况的准东煤燃烧试验,并通过电感耦合等离子体发射光谱仪对煤灰中碱及碱土金属含量进行表征,研究了准东煤在不同反应环境中碱及碱土金属的迁移和沉积规律。结果表明:随燃烧温度的升高,煤样中钠金属逃逸量升高,当温度超过1 100℃时,钠金属逃逸量为2 760μg/g,超过85%。不同温度下煤灰中相同种类的其他氧化物含量较接近,CaO与MgO在灰中占比较大。O_2体积分数对钠逃逸量的影响不明显,对相同种类氧化物占比影响较小,最大相差仅为0. 52%。在沉降炉试验中,随温度的升高,沉积灰灰样颜色由浅变深,灰沉积逐渐加重并难以清除,表明温度升高对结渣有促进作用。温度超过1 000℃时,Na挥发基本完成,含量稳定在11%左右。高温下,灰沉积管表面产生氧化皮脱落现象。在过量空气系数较大时,沉积灰灰样中的团聚烧结物较其他2种气氛少,但减弱幅度较小。炉膛中的煤粉燃烧均匀性随煤粉细度的增大而变差,导致部分煤粉剧烈燃烧使炉膛内局部温度偏高,灰沉积加重。此外,灰中的大颗粒数量也随粒径的增大而增多,黏结在结渣棒上的大颗粒增多。     

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...     

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。     

高温气化过程中降低煤灰熔点的实验研究

高灰熔融性好的寨崖底矿煤分别与低灰熔融性的露天煤、府谷煤按不同配比混合,制成2种配煤灰样,用HR-4灰熔点测定仪分别测定其在氧化性气氛和弱还原性气氛下的熔融特征温度。结果表明,配煤能有效改善煤灰熔融特性,但配煤灰熔融性变化与配比之间是非线性关系,弱还原性气氛下配煤改善效果显著。以硼砂作为助熔剂,按不同比例添加到高灰熔点煤潞安矿中,在弱还原性气氛下测定混煤灰熔融温度,结果表明添加少量比例的硼砂可以显著降低煤灰熔融性温度。对混煤灰进行的X-射线衍射实验表明,煤灰中矿物质形态的变化是混煤灰熔点降低的直接原因。     

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。     

混煤燃烧过程中矿物质的形态变化及相变

引　言炉内受热面结渣被认为是电站锅炉中最难以处理的一个问题 ,特别在我国长时间内煤粉锅炉作为主要的能源供应手段 .近年来 ,国内有许多电站采用混煤燃烧的方法以适应不同的要求 ,如减少结渣和ＳＯｘ 的排放 .然而 ,实际上如果混煤中设计使用的煤和实际使用的煤特性不一样 ,混煤燃烧可能会导致严重的结渣 .对单一煤种燃烧过程中的矿物质行为已经有了广泛研究[1～ 4 ] ,但对混煤很少有研究[5,6] .本文主要研究混煤燃烧后矿物质行为特性的变化 ,并用ＸＲＤ分析矿物质形态随温度的变化 ,从矿物学的观点来解释混合煤灰熔融特性 ,以揭示混煤结…     

调控煤灰流动特性的气化配煤研究进展

在对气化配煤调控煤灰熔融特性、结渣特性综述的基础上,从矿物质演变和量子化学角度对配煤改变煤灰化学特性机制进行了重点分析。配煤本质上改变了煤灰中易熔矿物与难熔矿物组成和含量,含钙与含铁硅酸盐矿物所形成的低温共熔物是煤灰熔融温度降低主要原因;莫来石、钙矾石、钙铝榴石等高熔点矿物的生成是提高煤灰熔融温度、改善高碱煤结渣特性的重要原因。进一步从煤灰化学组成与矿物组成两个方面对配煤灰熔融特性预测模型进行了阐述。最后对配煤改善煤灰流动特性研究方法和方向提出了建议。     

调控煤灰流动特性的气化配煤研究进展

在对气化配煤调控煤灰熔融特性、结渣特性综述的基础上,从矿物质演变和量子化学角度对配煤改变煤灰化学特性机制进行了重点分析。配煤本质上改变了煤灰中易熔矿物与难熔矿物组成和含量,含钙与含铁硅酸盐矿物所形成的低温共熔物是煤灰熔融温度降低主要原因;莫来石、钙矾石、钙铝榴石等高熔点矿物的生成是提高煤灰熔融温度、改善高碱煤结渣特性的重要原因。进一步从煤灰化学组成与矿物组成两个方面对配煤灰熔融特性预测模型进行了阐述。最后对配煤改善煤灰流动特性研究方法和方向提出了建议。     

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。     

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。     

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。     

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。