山西三高粉煤煤灰不均匀熔融规律研究

发布时间：2020-10-16 12:58

　　 我国山西省煤炭资源丰富,但存在大量具有高灰(22%-30%)、高硫(2.4%-3.0%)、高灰熔融温度(软化温度高于1500 ~oC)特点的“三高”煤种,影响了其广泛应用。灰融聚流化床是利用“三高”煤的有效途径,但在生产中出现了诸多理论预测与实际不符的问题,影响了其推广应用。本文提出煤灰不均匀熔融概念,以山西典型的大同煤和晋城煤为原料,研究了其高温下的煤灰熔融行为,有助于解决山西三高煤种的利用。首先研究了原煤粒度对煤灰熔融性的影响,结果发现随着原煤粒度变化,不同粒度颗粒煤灰熔融温度几乎不变。将原煤粉磨,对煤粉进行筛分和浮沉。结果发现,高变质程度的晋城无烟煤,和变质程度相对较低的大同烟煤,两者在粒度组成和密度组成上存在差异。研究还发现,各子样的化学组成和矿物组成也发生了不同程度的分化。用灰锥法(AFT)和压降法(PDT)研究了原煤煤粉和按粒度、密度分级后子样的煤灰熔融性和烧结特性。结果发现,不同粒度的大同煤样的软化温度(ST)相差将近200 ~oC,不同密度的晋城样品软化温度差别高达300 ~oC。机理研究表明,矿物存在形式的不同导致了大同和晋城样品间煤灰熔融性的差异。烧结温度变化趋势与熔融温度有所不同,这与颗粒自身大小存在较大关系。SEM-EDX研究表明,高温下宏观与微观的熔融状态存在较大差异。使用FactSage软件对样品进行了热力学模拟计算,并在三元相图中加以验证。模拟结果与实验结果具有较好的相关性。两种煤样的不均匀熔融是因为堇青石、钙长石等矿物的低温共熔造成的。晋城煤样钙长石的含量高,导致其不均匀熔融程度更高。在灰融聚流化床生产中,Ca~(2+)、Na~+等金属阳离子与非晶态的铁的硅铝酸盐的相互作用,形成初始沉积层。当初始沾污层形成后,密度较大、粒度较大的颗粒撞击沾污层的概率明显增加。这些颗粒自身矿物含量高,其熔融温度低,在低于煤灰整体熔融温度的温度下开始熔融,形成具有黏性的聚集物,最终导致煤灰整体的熔融。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ536.4
【部分图文】：

1 绪论 飞灰可控循环：提高碳转化率。粉煤在气化炉中主要经过煤的干燥脱水、挥发分脱除、煤的气化、灰渣分离等 5 个过程。气化过程中，气体从不同的方位进入床层：由分布板汽和氧气，主要使床料流化起来；由中心管进入的蒸汽和氧气，在喷口了一个射流高温燃烧区，使灰渣团聚成球；由环管进入的蒸汽和氧气，气速下使灰团与半焦分离，在非结渣情况下连续有选择地排出低碳量

图 1-3 四个煤灰特征温度对应的灰锥形态Figure 1-3 Corresponding ash shapes for four ash characteristic temperaturesAFT 实验结果常常因为仪器的差异及人为判断的主观性而造成一定误差。英国诺丁汉大学Pang等[14]对传统的灰锥法进行了优化。借助张力计，将0.50±0.0g 灰样在 5000 psi（约 34.375 MPa）的压力下压成直径 10 mm 的灰柱，通过观察灰柱在受热过程中形状的变化来确定煤灰熔融温度。该方法可使煤灰熔融温度的误差降低到±15oC，比传统方法降低了 50.00%。烧结原指耐火材料或陶瓷生坯通过烧结，达到气孔最小、收缩最大、产品最致密、性能最优良或成为坚实固体。煤灰在较低温度下也会发生发生烧结。烧结是一个自发且不可逆的过程，系统表面能降低是推动烧结进行的基本动力。由于粉体颗粒颗粒微小，比表面积较大，因而具有的很高的表面能。根据最小能量原理，它将自发地向最低能量状态变化，并伴随系统的表面能减少。烧结过程如图 1-4 所示。烧结发生时，封闭孔减小，开放孔变大，逐渐形成气体新的通道。

图 1-5 矿物存在形式示意图Figure 1-5 Schematic diagram of mineral existence formsWigley 等[21]根据粉煤颗粒中矿物质的含量，将粉煤颗粒分为有机质颗粒（organic-rich particles，矿物含量<10%）、交联质颗粒（organic particles withincluded minerals，矿物含量 10%-90%）和外在矿物颗粒（particles containingexcluded minerals，矿物含量>90%）三种。他们借助计算机控制扫描电子显微镜（CCSEM）研究了 18 种动力用煤粉煤颗粒中矿物质的分布情况，发现对于绝大多数煤而言，有机质颗粒数量最多（35.60%-88.30%），其粒度通常较大；交联质颗粒含量居中（8.40%-53.30%）；外在矿物颗粒数量最少（3.20%-18.50%），并且通常具有最小的粒度。在燃烧过程中三种矿物的作用不同，交联质颗粒具有较高的比热容，因而其燃烧过程相对缓慢；而外在矿物首先熔融，粘附在有机质表面同样会降低燃烧速率。Gupta 等[64]的研究认为，内在矿物通常存在于有机质颗粒中，会导致其在实际操作中产生较高的温度，进而促进硅、钙等元素的挥发。同时，粒度分布影响矿物反应动力学，较大的颗粒因为表层反应生成黏性外层而具有较差的反映活
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 徐荣声;王永刚;林雄超;杨萨莎;艾沙江;杨远平;;配煤和助熔剂降低煤灰熔融温度的矿物学特性研究[J];燃料化学学报;2015年11期

2 张海峰;任江萍;苏春生;;晋城矿区“三高煤”的开发与利用[J];煤炭加工与综合利用;2015年10期

3 张龙;黄镇宇;沈铭科;王智化;周俊虎;;不同的灰熔点调控方式对煤灰熔融特性的影响[J];燃料化学学报;2015年02期

4 毛燕东;金亚丹;李克忠;毕继诚;李金来;辛峰;;煤催化气化工艺中内蒙王家塔烟煤灰烧结温度的影响因素分析[J];化工学报;2015年03期

5 周永刚;范建勇;李培;王炳辉;赵虹;;高碱金属准东煤结渣特性试验[J];浙江大学学报(工学版);2014年11期

6 代百乾;乌晓江;张忠孝;;高碱煤燃烧过程中灰中主要元素的迁移规律[J];动力工程学报;2014年06期

7 吴乐;吴建群;罗嘉;陈世和;于敦喜;项辰;徐明厚;;煤样不同密度组分中致渣矿物特性的CCSEM研究[J];化工学报;2014年08期

8 田斌;杨芳芳;庞亚恒;林雄超;耿敬伟;许德平;王永刚;;气化温度对型煤加压固定床气化反应特性的影响[J];中国电机工程学报;2013年S1期

9 白进;孔令学;李怀柱;郭振兴;白宗庆;尉迟唯;李文;;山西典型无烟煤灰流动性的调控[J];燃料化学学报;2013年07期

10 杨鑫;黄戒介;房倚天;王洋;;无烟煤流化床气化飞灰的结渣特性[J];燃料化学学报;2013年01期

本文编号：2843287