准东煤半焦赤铁矿载氧体化学链燃烧及碱(土)金属迁移特性

准东煤在常规燃烧利用过程中出现严重的积灰结渣和CO_(2)排放等问题,极大地限制了其低碳清洁高效利用。采用中低温热解低阶煤生产半焦、焦油和热解气是煤炭分质分级利用的龙头技术,准东高碱煤热解半焦气化活性高,采用化学链燃烧方式有利于实现其低碳清洁高效转化。以CO_(2)为气化介质,赤铁矿石为载氧体,在固定床上开展准东煤半焦原位气化化学链燃烧特性研究,并探究了准东煤半焦中碱(土)金属(AAEMs)的迁移转化规律。研究表明,赤铁矿载氧体能够显著提高固定床反应器出口烟气中CO_(2)体积分数,然而随着载氧体与半焦质量比(mOC/mC)不断增加,CO_(2)体积分数先急剧增加而后趋于不变,最佳的mOC/mC为50:1,而700℃热解制取的准东煤半焦经酸洗脱灰处理后固定床反应器出口相应烟气中CO_(2)的选择性降低了8.95%,这表明准东煤半焦中具有催化活性的AAEMs显著影响其化学链燃烧性能。赤铁矿载氧体对准东煤半焦表面AAEMs的分布也有显著影响,与未加入时相比,Na、K元素在半焦表面呈现较为明显的团簇富集,Ca、Mg元素在空间分布上呈更为明显的依赖关系。采用原位气化化学链燃烧方式后准东煤半焦中的AAEMs向赤铁矿载氧体中发生迁移与转化,并生成霞石(NaAlSiO_(4))、钾长石(KAlSi_(3)O_(8))、钙铝黄长石(Ca_(2)Al_(2)SiO_(7))、镁橄榄石(Mg_(2)SiO_(4))等高熔点矿物质,有效抑制了准东煤半焦中AAEMs向气相的挥发。

掺烧准东煤锅炉的结渣问题分析

某超临界燃煤锅炉掺烧准东系列煤,出现渣块掉落引起捞渣机过载跳闸。从煤质分析、落渣位置、炉膛吹灰试验、空气动力场、燃烧器喷口5个方面进行诊断分析,推断结渣和落渣原因,并停炉检查验证结论。结果表明,掺烧准东系列煤后,入炉煤具有中等结渣倾向,在燃烧器周界风口变形堵塞的诱导下,燃烧后的煤灰在侧边水冷壁结渣,渣块积聚后掉落引起捞渣机跳闸。结合掺烧准东系列煤的煤质特性,从运行和检修的角度提出防控措施,为相似情况的锅炉运行提供参考。

掺烧准东煤的150 t/h CFB锅炉设计

针对某项目1台高温高压燃煤掺烧准东煤循环流化床锅炉的设计方案进行分析,设计燃煤掺烧准东煤循环流化床锅炉时,对锅炉参数、设计煤种选取合理的流化状态,考虑准东煤特殊的燃烧特性,设计时作出相应措施,最终保证所设计的循环流化床锅炉能够环保、高效、经济运行,以期对相关行业提供技术参考。

准东煤燃烧过程中钠迁移转化机制研究进展

近年来,中国西部准噶尔盆地发现的大量低阶准东煤田引起广泛关注。准东煤田是中国目前发现的最大整装煤田,已探明储量3 900多亿t,足够供应中国近100 a的煤炭消耗。准东煤具有低灰、低硫、反应活性好、储量大、易开采等特点,是未来煤化工、火力发电的优质燃料。然而准东煤中含有大量碱金属钠,钠在燃烧过程中极易挥发,致使锅炉受热面极易发生沾污、结渣等问题,特别是氯化钠和硫酸钠的迁移会引起一系列灰相关的问题,严重制约了准东煤的大规模、高效清洁利用。综述了准东煤的分布及煤质特征,以及钠的赋存形态及测量方法,详细探讨了钠的内部、外部转化机理,以及煤中无机元素如硅铝酸盐、氯、钙、钾等对钠转化的影响,总结了反应条件如温度、压力、反应气氛、颗粒尺度、添加剂对钠迁移特性的影响。尽管已进行了试验、热平衡计算、模拟等多项研究,但准东煤碱金属释放及迁移引起的灰相关问题仍未从根本上得到解决,对其原因的了解还不够全面,重点回顾研究进展,揭示其形成原因。

高温气化条件下高钙镁准东煤灰熔融性及矿物质演化

气流床气化是煤炭清洁高效利用的重要途径,而高钙镁准东煤因其灰熔融温度较高难以直接应用于液态排渣的工业气化炉,深入研究准东煤灰高温熔融机理对其气化应用具有重要指导意义。采用试验分析与热力学模拟计算手段研究了高温(1100~1500℃)气化条件下高钙镁准东煤灰熔融性及矿物质演化,并考察了SiO 2添加对原煤灰熔融性及矿物质演化的影响。结果表明,气化温度小于1300℃时,高钙镁五彩湾煤灰中Ca主要以CaS形态存在于灰渣中,而Mg始终以MgO形态存在;气化温度升高至1400℃后Ca基矿物质逐渐熔于液相并在1500℃完全熔融,Mg则结合生成高熔点镁铝尖晶石,导致煤灰熔融温度较高。添加适量SiO 2可与煤灰中Ca、Mg结合生成易发生低温共熔的钙镁黄长石,从而显著降低煤灰熔融温度及液相线温度,所添加SiO 2与CaO结合的优先度高于MgO。此外,热力学平衡计算结果显示,即使在1600℃高温平衡状态下,五彩湾煤灰中部分Ca、Mg仍以高熔点单一氧化物形态存在,因此原煤灰液相线温度较高,热力学计算结果可为煤灰熔融性预测及高温矿物质转化提供参考。

改善准东煤锅炉受热面沾污的燃烧优化试验研究

2021年国内大部分煤价暴涨,影响到部分地区的电力供应,而新疆准东煤价格稳定且处于低水平,因此安全、稳定地大比例燃烧准东煤的研究非常重要。但是,燃烧准东煤的锅炉会由于准东煤煤质特性及烟气温度过高而产生受热面沾污的现象。以某燃用95%准东煤的660 MW容量四角切圆锅炉为研究对象,研究掌握一次风速、运行氧量、空气分级策略以及煤粉细度对锅炉燃烧温度和NOx排放的影响与控制规律,并在静态和动态工况下实施了针对受热面沾污的控制函数改进。最后,利用受热面沾污监测方法证明了改进对受热面沾污的影响。结果表明,660 MW工况下运行氧量对烟气温度影响最明显,运行氧量由2.0%提升至3.5%时,烟气温度下降99℃;运行氧量及主燃区局部平均化学当量比降低可导致NOx明显降低,煤粉细度的变化对NOx的影响不明显;投入改进后的控制函数后,升负荷过程中烟气温升速率从6.18℃/min下降至4.26℃/min,660 MW工况下最高烟气温度从1104℃下降至1023℃,屏式过热器、低温过热器和低温再热器吸热比例分别上升了0.6%、1.6%和0.9%,表明沾污情况得到了明显改善。330 MW负荷工况下,提高最上层磨煤机的煤粉细度R90至4.9%左右,可有效降低高温再热器底部附近烟气温度,减少可燃物及飞灰沉积,抑制沾污的形成。

鼓泡流化床准东煤与松木屑共催化气化过程中焦油的生成特性

生物质气化过程中产生的焦油不仅会影响产气热值,还会对下游管道和设备造成污染,影响可燃气的后续利用。利用催化气化工艺可有效降低气化气中的焦油质量浓度,结合煤与生物质共气化能够进一步降低焦油生成量。为获得准东煤与松木屑共催化气化过程中焦油的生成特性,借助鼓泡流化床气化炉实验装置,研究了床料种类(石英砂、白云石、煅烧白云石)、准东煤掺混比例(0,20%,40%,60%,80%,100%)、气化温度(650℃,700℃,750℃,800℃,850℃)、空气当量比(0.24,0.27,0.30,0.33,0.36)、表观气速(0.15 m/s,0.18 m/s,0.22 m/s,0.26 m/s,0.30 m/s)和气化原料粒径(347μm,513μm,715μm,1005μm,1440μm)对气化气中焦油质量浓度的影响。结果表明:与松木屑单独作为气化原料气化相比,准东煤的添加能够降低焦油质量浓度,并且不会对气化气品质造成较大影响;尤其是准东煤的掺混比例在0~40%的范围内增加时,气化气中的焦油质量浓度下降趋势明显,而CO和H_(2)的体积分数变化不大。与石英砂和白云石相比,在实验设定的六种准东煤掺混比例下,以煅烧白云石为床料的流化床共气化生成的气化气中H_(2)体积分数均最高,同时焦油的含量显著降低。以煅烧白云石为床料,在准东煤掺混比例为40%的条件下,升高温度或提高空气当量比均有利于降低气化气中的焦油质量浓度;提高流化床的表观气速或增大气化原料粒径,气化气中焦油的含量呈现出先减少后增加的现象。

运行参数对330 MW燃煤锅炉掺混燃烧准东煤的影响

为了缓解燃煤锅炉掺混燃烧准东煤引发结焦的问题,对某330 MW燃煤锅炉结构参数和满负荷运行参数进行数值模拟,研究理论切圆直径、一次风率、掺混准东煤比例等运行参数对炉内温度、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NO x)分布的影响。结果表明:当理论切圆直径从580 mm增至1365 mm时,主燃区温度降低,屏底热力学温度降低27 K,C层燃烧器以下区域CO生成量增加,C层燃烧器以上区域CO生成量减少,出口一氧化氮(NO)排放量减少24.1%;当一次风率从20%增至35%时,炉内整体温度升高,屏底热力学温度上升32 K,CO生成量减小,出口NO排放量增加69.8%;当掺混准东煤质量分数从50%增至90%时,炉内整体温度升高,屏底热力学温度上升17 K,CO生成量减少,出口NO排放量减少9.9%;推荐的运行参数为理论切圆直径为900 mm,一次风率为25%,掺混准东煤质量分数为70%。

准东煤CFB气化过程中运行条件对碱金属钠挥发和转化的影响

为了指导CFB气化炉运行,研究了气化温度、停留时间及气化剂类型对准东煤中钠的挥发和转化的影响,相关研究依托固定床反应器开展,并结合Factsage软件模拟计算。实验结果表明,气化温度是钠挥发与转化的显著性影响因素。温度对钠挥发的促进作用归因于挥发的强化及石灰/偏高岭土的竞争反应。同时,高温可以促进钠霞石和熔渣的形成。熔渣形成的阈值大约950℃。气化过程中钠的挥发可以归结为两个阶段:煤热解及半焦气化。在煤热解阶段,部分有机态和水溶性钠被挥发,剩余的钠与煤焦或矿物质结合;在半焦气化阶段,与半焦结合态钠(CM-Na)随着煤焦气化而挥发。由于NaOH形成及熔融温度降低,水蒸气对钠的挥发呈现促进作用;相反,氧气和氮气则表现出抑制作用。前者归因于难挥发Na_(2)SO_(4)形成,而后者是因为煤焦的化学成键和物理束缚。

配煤比例对准东煤燃烧沾污及结渣特性的影响

选取钠挥发量、煤灰组成、熔融温度、综合指数等作为定量分析指标,系统考察配煤比例对准东煤燃烧沾污及结渣特性的影响。结果表明,准东煤灰中钠硝石含量高,硅铝矿物质含量相对较低,燃烧时易发生沾污和结渣问题;乌海煤灰含量高,且灰中矿物质以高岭土、石英为主,是合适的配煤煤种。随乌海煤配比增加,混合样品中钠挥发量逐步降低,最大降幅为47.85%,煤灰沾污的挥发性钠得到有效控制。同时,灰渣中低熔点霞石类矿物质比例逐步降低,在配比为30%时衍射峰全部消失;高熔点矿物质比例同步升高,当配比达30%时,煤灰主要以石英、硬石膏及赤铁矿为主,结渣特性关键指标熔融特征温度显著提高。关键熔融温度T_(D)呈先快速升高后基本不变的趋势,在配比为20%时出现拐点。经验性综合指数逐步降低,当配比为30%时,综合指数R_(z)为1.67,位于轻微结渣区间。综合考虑煤灰沾污、结渣及经济性,乌海煤的最佳配比应为30%。

化学链气化中准东煤灰对CaSO_(4)载氧体改性及其作用机理

以CaSO_(4)为载氧体,采用机械混合法制备了将军庙煤灰修饰的CaSO_(4)-Ash复合载氧体。借助TG-MS考察复合载氧体CaSO_(4)-Ash与将军庙煤的化学链气化反应特性,并对将军庙煤灰改性CaSO_(4)载氧体的作用机理进行了研究。结果表明:将军庙煤灰对CaSO_(4)载氧体有一定的改性作用。900℃时,与纯CaSO_(4)载氧体相比,CaSO_(4)-Ash复合载氧体表现出良好的反应活性和稳定性,CaSO_(4)-Ash复合载氧体化学链气化产生的CO量明显增多,产率也更加稳定。X射线衍射分析表明,CaSO_(4)-Ash复合载氧体中存在少量的Ca_(2)Fe_(2)O_(5)和Fe_(2)O_(3),它们附着在CaSO_(4)表面,作为CaSO_(4)晶格氧传输的中介,起到促进CaSO_(4)晶格氧迁移的效果。通过Jade软件计算纯CaSO_(4)载氧体和改性后的CaSO_(4)载氧体的晶格常数和晶格体积,并结合拉曼光谱和电子顺磁共振光谱表征,证明了煤灰中Na+改性CaSO_(4)载氧体的机理。通过扫描电子显微镜测试,发现改性后的CaSO_(4)载氧体表面孔径结构更加清晰。

碱金属和碱土金属对新疆准东煤利用的影响

阐述了准东煤具有低灰、低硫、中等热值、开采成本低以及反应活性高等优点,适用于燃烧、热解和气化等转化过程,是一种优质的动力煤和化工原料。然而,准东煤中钠和钙等碱金属和碱土金属含量较高,在燃烧过程中常会引发结渣、灰沉积等问题。总结了准东煤目前的利用情况,介绍了目前准东煤燃烧和气化过程中钠元素的迁移和释放过程及其所引发的结渣和积灰等问题,据此现状,研究人员提出了解决方法。针对现存问题,发现超临界水气化制氢技术可以有效解决准东煤的结渣堵塞等问题,超临界水气化将会是准东煤高效清洁利用的有效手段。

掺混不同粒径煤灰对准东煤积灰及烧结特性的影响

针对采用添加高岭土缓解准东煤燃烧后积灰的方法成本较高的问题,将粒径分级处理后的准东煤煤灰作为添加剂,结合沉降炉积灰实验和固定床烧结实验对不同粒径煤灰的积灰控制效果进行评估。结果表明:不同粒径煤灰的成分组成和矿物分布有所差异,粒径>100μm的煤灰中莫来石等硅铝矿物含量显著高于其他粒径段煤灰。掺混粒径>100μm的煤灰后换热面积灰在外力作用下更容易脱除;掺混粒径<50μm的煤灰不仅无法控制积灰生长,而且会加大积灰的清除难度。掺混粒径>100μm的煤灰后烧结程度减弱是导致换热面积灰清除难度较低的主要原因。

纯烧准东煤循环流化床锅炉设计与运行研究

准东煤中碱金属和碱土金属含量高,在燃烧过程中极易引起受热面结渣沾污,影响锅炉的安全稳定运行。根据准东煤的煤质特点,分析准东煤燃烧过程中的结渣沾污机理,提出纯烧准东煤循环流化床锅炉设计方案,通过调整受热面的布置方式,使对流受热面避开碱金属蒸气的易结渣沾污温度区间,并开展工程验证。结果显示:不同负荷下锅炉能够稳定运行,且效率均超过93%。在锅炉纯烧准东煤6个月后,受热面表面仅有松散浮灰,表明锅炉可长期纯烧准东煤且不会产生结渣沾污现象。

基于热重-质谱联用技术的新疆准东煤热解特性研究

以新疆准东煤田4种典型煤为燃料,采用热重-质谱联用技术并结合脉冲热分析法,详细分析了煤中不同有机组分的热解特征以及主要气态产物(H_(2),CH_(4),CO_(2),CO,H_(2)O)的在线析出行为。结果表明:温度在400~430℃,4种准东煤的热解失重速率均达到最大值,这是因为煤中以芳香碳和脂肪碳为中心形成的C_(al)—C_(al),C_(al)—O,C_(al)—H,C_(ar)—C_(al),C_(ar)—O,C_(ar)—H含量相对较多。而C_(al)—C_(al)和C_(ar)—C_(al)键的断裂是热解过程中焦油的主要来源。这为新疆准东煤通过煤解热获得高附加值化学品提供了理论依据。另外,准东煤在热解过程中,气态产物(H_(2),CH_(4),CO_(2),CO)析出的峰值温度和变化规律基本一致,说明准东煤具有相似的结构。

燃用准东煤的循环流化床锅炉二氧化硫原始排放为零的机理探究

本文总结了新疆某燃用准东煤的循环流化床锅炉的二氧化硫排放情况,通过探究锅炉的炉内脱硫原理,分析了本锅炉当前二氧化硫排放情况的原因,对锅炉运行起到了指导意义。

准东煤中碱金属的赋存形式及其在燃烧过程中的迁移规律实验研究

对新疆煤采用三步化学提取实验（蒸馏水洗、醋酸铵洗、稀盐酸洗）以分析其碱金属赋存特性,对水溶的阴离子进行了离子色谱分析.分别检测了在不同温度、不同停留时间下准东煤灰的碱金属量,并用Factsage软件模拟该煤灰中碱金属的析出形式.结果表明,煤中的钠主要是水溶钠,钾主要以不可溶钾存在,水溶碱金属主要以水合离子形式的氯化物存在.准东煤中碱金属在400 ～ 600℃析出最快,主要是水溶态碱金属的释放,碱金属的释放主要发生在燃烧后期.灰中碱金属在高温下会与烟气中的成分发生反应,主要产物是氯化物以及氢氧化物.在700℃钠对准东煤中低温共融物的形成有很大贡献.

准东煤中碱金属的赋存形态及其在热解过程中的迁移规律

采用三步化学萃取的方法,研究准东煤中碱金属的赋存形态。将煤样置于惰性气体氛围的管式炉中,研究热解条件下,碱金属随温度在400~1000℃变化的迁移规律。最后用Fact Sage软件模拟了热解过程中准东煤煤灰中碱金属的析出形式。结果表明,准东煤中钠主要以水溶钠的形式存在,而钾则以有机钾和不溶钾为主。准东煤中水溶钠的含量在热解过程中下降明显,并且在温度为400~800℃时释放速率最快,而热解过程中水溶钾的含量则相对比较稳定,高温下,钾钠之间会发生置换反应。实验和Fact Sage模拟结果均表明,热解过程中,准东煤中的碱金属主要以氯化物的形式释放。

准东煤在燃烧过程中的矿物演变过程及Na、Ca释放规律

选取天池能源煤作为研究对象,对比分析高、低温灰样中的物相变化,并通过低温灰热重实验深入了解了燃煤过程中准东煤的矿物演变规律。测定不同热处理温度下所得灰样的Na、Ca含量,得到其释放规律,并用Factsage软件模拟出Na、Ca的析出形式。结果表明,准东煤的原始矿物主要有石膏、方解石、石英、高岭石、黄铁矿等。在燃烧过程中,矿物间发生了复杂的化学反应并最终生成钙铁铝石、斜硅钙石等。实验发现,煤中Na在400~600℃间开始析出,Ca在600℃前部分析出,1 000℃后析出最快。结合Factsage的模拟结果,推测1 000℃前Na的主要析出形式为Na Cl（g）,1 000℃后以NaO H（g）和Na2SO4（g）的形式析出。Ca在1 000℃后与灰中铁、硅等矿物形成低温共熔体,达到熔融状态后析出,含量急剧下降。

准东煤灰熔融特性试验研究

将神华准东煤(神华煤)和天池能源准东煤(天池煤)与碱沟煤按照不同质量掺混比进行混合并制得灰样,将NaCl、CaO、Al2O3和SiO2按不同添加比例加入神华煤和天池煤并制成灰样,对上述混合灰样的熔融特性进行研究.结果表明:碱沟煤掺混2种准东煤后,随着准东煤质量掺混比的增大,混合灰各个灰熔点特征温度先降低后升高;随着灰样中Na含量增加,准东煤灰样的变形温度显著降低,软化温度、半球温度和流动温度先降低后趋于不变;当灰样中Na含量达到一定比例后,NaCl对准东煤灰熔融特性的影响明显减弱;CaO对准东煤灰熔点的影响较复杂,可以降低也可以提高灰熔点;随着Al2O3添加比例的增加,准东煤灰熔点先升高后急剧降低;随着SiO2添加比例的增加,神华煤灰样的变形温度先升高后降低,而天池煤灰样的变形温度逐步升高,其他3个特征温度均逐渐降低.