准东煤燃烧过程中灰的生成、沉积及控制机理研究

发布时间：2020-07-18 17:39

【摘要】：新疆准东煤田是我国已探明的最大整装煤田,准东煤的开发利用已被提升至国家能源战略高度。然而,准东煤中通常具有较高的碱性元素(Na、Ca、Mg)和Fe,在实际的燃烧利用中产生了严重的沾污结渣问题,如何缓解其沾污结渣是当前亟待解决的工程难题。本文围绕准东煤的灰生成、沉积机理及防控方法开展了实验室基础研究。首先,研究了典型准东煤中无机元素的赋存形态和分布状态等信息,并基于沉降炉系统,利用沿程取样装置,揭示了准东煤燃烧过程中无机元素的演化规律。研究发现准东煤中的Na有76-90%以水溶态形式存在,具体有Na_2SO_4(如五彩湾煤和天池煤)和NaCl(如万象煤)两种形式。Ca、Mg主要以乙酸溶态和盐酸溶态形式存在,它们在煤中高度分散。Fe主要以盐酸溶态和盐酸不溶态形式存在,后者含量更高。在燃烧初期,煤中有机结合态Ca、Mg以微小粒子在焦表面析出,随后不断发生聚合,形成富Ca、Mg的超微米颗粒。或者与煤中的Si、Al反应形成熔融球形颗粒。随着碳不断消耗,焦结构发生破碎,最终形成大量的细颗粒(10μm)。Na一部分转化为Na_2SO_4、NaCl等,最终生成PM_1;另一部分则与硅铝矿物反应被固定在粗颗粒中。其次,针对已有研究在准东煤的细灰颗粒、灰沉积等存在的不足,系统研究了燃烧温度、元素赋存形态及煤种特性等因素对准东煤的细灰颗粒、总灰和沉积特性的影响。结果表明,燃烧温度对准东煤的细灰颗粒生成有强烈影响。对五彩湾煤来说,随着温度的升高,PM_1的生成量急剧降低且粒径逐步减小。PM_(1-10)的生成量随着温度的升高而降低,且逐步向粗颗粒迁移。五彩湾煤PM_(1-10)的生成主要来自于乙酸铵溶态和盐酸溶态Ca、Mg的转化。水溶态Na对PM_1的生成有较大贡献。Fe对PM_(1-10)生成的贡献主要来自煤中的盐酸溶态Fe。不同矿区准东煤的细灰颗粒生成量及成分存在明显的差别。在相同给煤量下,PM_(1-10)的生成量与灰含量呈一定程度的正相关性。在相同灰量基准下,五彩湾煤PM_(1-10)的生成量略高于万象煤,并远远高于天池煤和西黑山煤。原因在于五彩煤和万象煤的无机元素以乙酸铵溶态和盐酸溶态Ca、Mg为主。对PM_1来说,万象煤的生成量最高,主要由于该煤含有极高的Na、Cl。沉积结果表明,在相同给煤量下,积灰量基本与灰含量正相关,即:西黑山煤天池煤万象煤五彩湾煤,沉积倾向分别为15.7%、13.3%、13.0%和10.1%。但西黑山煤和天池煤的沉积物较为疏松,容易清除。万象煤的沉积物中存在大量的NaCl,容易加剧沉积,同时引起了沉积管的严重腐蚀。五彩湾煤的沉积物具有明显的内外层结构,内层由大量的富含CaO、SO_3、MgO和Na_2O细颗粒组成,外层则主要由石英、CaSO_4、钙硅铝酸盐等粗颗粒组成,同时含有大量的烧结型富Ca/Mg颗粒。进一步,系统研究了高岭土添加以及水洗煤对典型准东煤的灰生成的影响及沉积防控的效果。高岭土添加的结果表明,高岭土不仅可以捕集易挥发性Na,还能与准东煤中的难熔元素Ca、Mg和Fe等发生强烈反应,从而导致灰的熔融特性和细灰生成特性发生改变。对五彩煤来说,灰熔点随着高岭土比例的增加先降低后升高。当高岭土添加后灰中(Na_2O+1/2CaO+2/3MgO)/(Al_2O_3·2SiO_2)的摩尔比在1附近时,灰熔点最低。细灰颗粒和沉积的结果表明,高岭土对不同矿区准东煤的作用效果有差异。其中,添加高岭土对万象煤的PM_1生成没有作用,同时还增加了最终沉积量。原因可能是煤中的Cl抑制了高岭土对Na的捕集,NaCl的大量沉积加剧了对灰颗粒的捕集。对五彩湾煤来说,高岭土添加后沉积量有明显改善,且高岭土比例为2%时沉积量最低,沉积倾向由10.1%下降为4%。原因在于高岭土有效捕集了五彩湾煤中的Na、Ca和Mg,抑制了Na_2SO_4、CaO、CaSO_4、MgO等的沉积。天池煤添加高岭土后细灰颗粒的生成量变化较小,沉积量略微降低。原因在于煤中的Fe在颗粒物生成和沉积中具有重要作用,而高岭土添加后可能对其作用有限。西黑山煤添加高岭土后,PM_(1-10)和灰沉积量有所降低。原因在于西黑山煤本身具有高Si、Al含量,高岭土添加后进一步增加了Si、Al含量,降低了颗粒表面粘性。水洗可有效去除煤中的水溶态Na、S和Cl等元素,同时部分去除Ca、Mg和Fe等元素。细灰颗粒和沉积的结果表明,水洗显著降低了万象煤和五彩湾煤的PM_1生成量,并降低了西黑山煤PM_(1-10)的生成量。同时一定程度上改善它们的沉积特性。但天池煤水洗后细灰颗粒的生成及沉积特性变化不大,原因在于煤中的Fe含量较高,水洗对其影响较小。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ534
【图文】：

煤田,五彩湾,大井

背景东煤田简介田位于我国新疆昌吉自治州境内（图 1-1），地处准格尔盆地以州阜康市东界，东到木垒县老君庙，北至昌吉州卡拉麦里山南沙漠北缘，东西跨越约 220 公里，南北跨越约 60 公里，整个公里，预测煤炭资源储量 3900 亿吨[1]。占全疆储量（2.19 万亿吨量（5.56 万亿吨）的 7%。它是我国乃至世界上最大的整装煤531 亿吨[1]，单层煤层最厚可达 80 米，可采煤层平均厚度 43 米方公里煤炭储量达 5000 万吨。煤田包括五彩湾、大井、将军庙矿区，其中前 4 个矿区规划已取得国家批复[2]。五彩湾煤矿和，大井煤矿为井工煤矿。

灰沉积,煤锅炉,沾污结渣,情况

华中科技大学博士学位论文灰分中的 Na2O 含量通常在 4%以上，有的甚至高于 10%。这种特性使得较高的沾污结渣倾向，在实际的锅炉燃烧过程中出现了严重的沾污结渣问还尚未有锅炉可实现纯烧准东煤的长时间安全运行。2016 年 8 月 5 日-13 神集团公司技术研究院在新疆宜化 150t/h 锅炉开展了全烧准东煤的实验[6，当锅炉蒸发量连续超过 130t/h 时，锅炉炉膛、燃烧器喷口、过热器迎风现严重结焦（图 1-2），同时水平烟道、省煤器、空气预热器出现严重积灰温度偏高。

白层,机理,烧结层,灰沉积

图 1-3 内白层的形成机理[9]图 1-4 内白层向烧结层的过渡阶段[9]气相扩散内白层到烧结层的过度：-惯性撞击-氢氧化钠、硫酸钠的气相沉积-颗粒粘性增加，灰沉积液相形成-表面张力飞灰与燃烧产物颗粒反弹灰岛形成由于温度升高灰渣中形成液相

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