灰熔融特性对煤热解二次失重及煤焦燃尽特性影响的实验研究

来源 :华中科技大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:shenkan8009
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我国燃煤火力发电仍占相当大的比重,为了完成“十三五”的节能减排目标,急需开展煤高效低污染燃烧的相关研究,提高燃烧效率,降低煤耗、污染物排放及飞灰含碳量。目前,大部分研究均只考虑了温度、气压、加热速率和气氛等外部条件对煤的物理结构和反应活性的影响,进而影响煤高温热解、煤焦燃烧反应以及最后灰的形成过程。只有少部分学者注意到煤中的灰分会对煤的高温热解及煤焦的燃烧过程产生一定的影响,更少有研究关注当温度足够高尤其是在高于灰流动温度(ash flow temperature,AFT)时,煤中部分矿物质会熔融,进而会对煤的热解及煤焦的燃烧过程产生影响。因此,本文采用热重恒温分析法,研究高温下煤灰熔融特性对煤的热解与燃烧特性的影响,主要研究内容如下:  首先,以五种拥有不同灰熔点温度的煤(呼伦贝尔、新井、塘寨、义裳及寒玉煤)为研究对象,使用热重分析仪(thermal gravimetric analyzer,TGA)得到煤样在低于或高于其AFT条件下的热解特性,结合化学动力学计算、TGA及X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)分析表明,煤焦与矿物质发生的碳热还原及碳热还原氮化反应是煤高温热解二次失重的主要原因;导致呼伦贝尔褐煤没有出现二次失重现象的原因可能为:呼伦贝尔褐煤中含有比其它四种煤更多的Fe和Ca元素,在热解时,高含量的Fe和Ca与Al和Si的氧化物一方面形成了高熔点的钙长石,另一方面形成了大量的低熔点共熔物,高温下这些熔融的玻璃态非晶体并不会与焦炭反应,从而抑制了SiC、AlN和Si3N4的生成。  其次,以在高温下热解出现二次失重现象的新井煤和未出现二次失重现象的呼伦贝尔煤为研究对象,将CaO和Fe2O3掺混到新井煤中,将Al2O3和SiO2掺混进呼伦贝尔褐煤中,在TGA中考察掺混煤样的高温热解特性。将TGA残留样进行XRD分析,研究灰的组分对煤高温热解特性的影响,结果表明,Fe2O3对新井烟煤的热解反应和二次失重没有抑制作用,只起到延缓的作用;CaO能在一定程度上抑制新井烟煤挥发分的析出,当CaO掺混的质量分数达到75%时,新井烟煤高温下的二次失重现象完全消失;单独掺混SiO2和Al2O3不会使呼伦贝尔褐煤热解时出现二次失重现象,只有在SiO2和Al2O3的共同作用下,呼伦贝尔煤在1000-1450°C温度区间内热解时才会出现二次失重现象;  然后,以六种不同灰熔点的中国煤(呼伦贝尔、新井、塘寨、义裳、寒玉及黎城煤)为研究对象,在TGA中得到煤焦在低于或高于其AFT下燃烧的失重信息,并将残留样品进行扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)和能谱(energy dispersive spectroscopy,EDS)分析,结果表明,新井、塘寨、义裳、寒玉及呼伦贝尔煤煤焦在燃烧温度高于其AFT时的质量损失量要比燃烧温度低于其AFT时的少。熔融的无机矿物质除了形成灰壳包裹煤焦降低其燃尽外,矿物与煤焦的反应对其燃尽也产生了影响;  最后,将煤焦在TGA中恒温燃烧的温度细分为500-1450°C,其中500-1200°C间隔50°C,1200-1450°C间隔25°C,获得了TGA中500-1450°C煤焦燃烧反应动力学模型参数,通过与试验结果的对比,验证了该预测模型在TGA中的温度及煤种适应性。结果显示,不能忽略灰熔点温度对预测模型结果的影响;将各工况燃烧温度按照灰熔点温度分段处理后,计算得到的预测值和试验值的相对误差比没有考虑灰熔点温度影响的计算误差有了显著的降低;以灰熔点温度为界限,分段预测各工况的燃烧速率,计算得到的各工况预测值与试验值的最大相对误差均小于6%,平均相对误差均小于2%,该模型能较好地预测TGA中煤焦恒温燃烧过程,且煤种适应性较好。
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