發(fā)布時間：2020-07-18 17:39

【摘要】：新疆準東煤田是我國已探明的最大整裝煤田,準東煤的開發(fā)利用已被提升至國家能源戰(zhàn)略高度。然而,準東煤中通常具有較高的堿性元素(Na、Ca、Mg)和Fe,在實際的燃燒利用中產(chǎn)生了嚴重的沾污結(jié)渣問題,如何緩解其沾污結(jié)渣是當前亟待解決的工程難題。本文圍繞準東煤的灰生成、沉積機理及防控方法開展了實驗室基礎(chǔ)研究。首先,研究了典型準東煤中無機元素的賦存形態(tài)和分布狀態(tài)等信息,并基于沉降爐系統(tǒng),利用沿程取樣裝置,揭示了準東煤燃燒過程中無機元素的演化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)準東煤中的Na有76-90%以水溶態(tài)形式存在,具體有Na_2SO_4(如五彩灣煤和天池煤)和NaCl(如萬象煤)兩種形式。Ca、Mg主要以乙酸溶態(tài)和鹽酸溶態(tài)形式存在,它們在煤中高度分散。Fe主要以鹽酸溶態(tài)和鹽酸不溶態(tài)形式存在,后者含量更高。在燃燒初期,煤中有機結(jié)合態(tài)Ca、Mg以微小粒子在焦表面析出,隨后不斷發(fā)生聚合,形成富Ca、Mg的超微米顆粒。或者與煤中的Si、Al反應(yīng)形成熔融球形顆粒。隨著碳不斷消耗,焦結(jié)構(gòu)發(fā)生破碎,最終形成大量的細顆粒(10μm)。Na一部分轉(zhuǎn)化為Na_2SO_4、NaCl等,最終生成PM_1;另一部分則與硅鋁礦物反應(yīng)被固定在粗顆粒中。其次,針對已有研究在準東煤的細灰顆粒、灰沉積等存在的不足,系統(tǒng)研究了燃燒溫度、元素賦存形態(tài)及煤種特性等因素對準東煤的細灰顆粒、總灰和沉積特性的影響。結(jié)果表明,燃燒溫度對準東煤的細灰顆粒生成有強烈影響。對五彩灣煤來說,隨著溫度的升高,PM_1的生成量急劇降低且粒徑逐步減小。PM_(1-10)的生成量隨著溫度的升高而降低,且逐步向粗顆粒遷移。五彩灣煤PM_(1-10)的生成主要來自于乙酸銨溶態(tài)和鹽酸溶態(tài)Ca、Mg的轉(zhuǎn)化。水溶態(tài)Na對PM_1的生成有較大貢獻。Fe對PM_(1-10)生成的貢獻主要來自煤中的鹽酸溶態(tài)Fe。不同礦區(qū)準東煤的細灰顆粒生成量及成分存在明顯的差別。在相同給煤量下,PM_(1-10)的生成量與灰含量呈一定程度的正相關(guān)性。在相同灰量基準下,五彩灣煤PM_(1-10)的生成量略高于萬象煤,并遠遠高于天池煤和西黑山煤。原因在于五彩煤和萬象煤的無機元素以乙酸銨溶態(tài)和鹽酸溶態(tài)Ca、Mg為主。對PM_1來說,萬象煤的生成量最高,主要由于該煤含有極高的Na、Cl。沉積結(jié)果表明,在相同給煤量下,積灰量基本與灰含量正相關(guān),即:西黑山煤天池煤萬象煤五彩灣煤,沉積傾向分別為15.7%、13.3%、13.0%和10.1%。但西黑山煤和天池煤的沉積物較為疏松,容易清除。萬象煤的沉積物中存在大量的NaCl,容易加劇沉積,同時引起了沉積管的嚴重腐蝕。五彩灣煤的沉積物具有明顯的內(nèi)外層結(jié)構(gòu),內(nèi)層由大量的富含CaO、SO_3、MgO和Na_2O細顆粒組成,外層則主要由石英、CaSO_4、鈣硅鋁酸鹽等粗顆粒組成,同時含有大量的燒結(jié)型富Ca/Mg顆粒。進一步,系統(tǒng)研究了高嶺土添加以及水洗煤對典型準東煤的灰生成的影響及沉積防控的效果。高嶺土添加的結(jié)果表明,高嶺土不僅可以捕集易揮發(fā)性Na,還能與準東煤中的難熔元素Ca、Mg和Fe等發(fā)生強烈反應(yīng),從而導(dǎo)致灰的熔融特性和細灰生成特性發(fā)生改變。對五彩煤來說,灰熔點隨著高嶺土比例的增加先降低后升高。當高嶺土添加后灰中(Na_2O+1/2CaO+2/3MgO)/(Al_2O_3·2SiO_2)的摩爾比在1附近時,灰熔點最低。細灰顆粒和沉積的結(jié)果表明,高嶺土對不同礦區(qū)準東煤的作用效果有差異。其中,添加高嶺土對萬象煤的PM_1生成沒有作用,同時還增加了最終沉積量。原因可能是煤中的Cl抑制了高嶺土對Na的捕集,NaCl的大量沉積加劇了對灰顆粒的捕集。對五彩灣煤來說,高嶺土添加后沉積量有明顯改善,且高嶺土比例為2%時沉積量最低,沉積傾向由10.1%下降為4%。原因在于高嶺土有效捕集了五彩灣煤中的Na、Ca和Mg,抑制了Na_2SO_4、CaO、CaSO_4、MgO等的沉積。天池煤添加高嶺土后細灰顆粒的生成量變化較小,沉積量略微降低。原因在于煤中的Fe在顆粒物生成和沉積中具有重要作用,而高嶺土添加后可能對其作用有限。西黑山煤添加高嶺土后,PM_(1-10)和灰沉積量有所降低。原因在于西黑山煤本身具有高Si、Al含量,高嶺土添加后進一步增加了Si、Al含量,降低了顆粒表面粘性。水洗可有效去除煤中的水溶態(tài)Na、S和Cl等元素,同時部分去除Ca、Mg和Fe等元素。細灰顆粒和沉積的結(jié)果表明,水洗顯著降低了萬象煤和五彩灣煤的PM_1生成量,并降低了西黑山煤PM_(1-10)的生成量。同時一定程度上改善它們的沉積特性。但天池煤水洗后細灰顆粒的生成及沉積特性變化不大,原因在于煤中的Fe含量較高,水洗對其影響較小。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TQ534
【圖文】：

背景東煤田簡介田位于我國新疆昌吉自治州境內(nèi)（圖 1-1），地處準格爾盆地以州阜康市東界，東到木壘縣老君廟，北至昌吉州卡拉麥里山南沙漠北緣，東西跨越約 220 公里，南北跨越約 60 公里，整個公里，預(yù)測煤炭資源儲量 3900 億噸[1]。占全疆儲量（2.19 萬億噸量（5.56 萬億噸）的 7%。它是我國乃至世界上最大的整裝煤531 億噸[1]，單層煤層最厚可達 80 米，可采煤層平均厚度 43 米方公里煤炭儲量達 5000 萬噸。煤田包括五彩灣、大井、將軍廟礦區(qū)，其中前 4 個礦區(qū)規(guī)劃已取得國家批復(fù)[2]。五彩灣煤礦和，大井煤礦為井工煤礦。

華 中 科 技 大 學 博 士 學 位 論 文灰分中的 Na2O 含量通常在 4%以上，有的甚至高于 10%。這種特性使得較高的沾污結(jié)渣傾向，在實際的鍋爐燃燒過程中出現(xiàn)了嚴重的沾污結(jié)渣問還尚未有鍋爐可實現(xiàn)純燒準東煤的長時間安全運行。2016 年 8 月 5 日-13 神集團公司技術(shù)研究院在新疆宜化 150t/h 鍋爐開展了全燒準東煤的實驗[6，當鍋爐蒸發(fā)量連續(xù)超過 130t/h 時，鍋爐爐膛、燃燒器噴口、過熱器迎風現(xiàn)嚴重結(jié)焦（圖 1-2），同時水平煙道、省煤器、空氣預(yù)熱器出現(xiàn)嚴重積灰溫度偏高。

圖 1-3 內(nèi)白層的形成機理[9]圖 1-4 內(nèi)白層向燒結(jié)層的過渡階段[9]氣相擴散內(nèi)白層到燒結(jié)層的過度：-慣性撞擊-氫氧化鈉、硫酸鈉的氣相沉積-顆粒粘性增加，灰沉積液相形成-表面張力飛灰與燃燒產(chǎn)物顆粒反彈灰島形成由于溫度升高灰渣中形成液相

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