燃煤礦物質成灰行為的CCSEM分析與PM10生成特性的研究.pdf

1、未來相當長時期內，化石能源尤其是煤炭在我國能源結構中仍將占主體地位。煤粉燃燒過程中礦物質的轉化既引起鍋爐爐墻結渣，威脅火電廠鍋爐的安全經濟運行，又產生大量空氣動力學直徑小于10μm甚至是2.5μm的顆粒物（PM10和PM2.5），造成嚴重的環(huán)境和健康危害。針對上述問題，本論文借助先進的計算機掃描電鏡（CCSEM）逐粒分析技術，選取典型的煤階（褐煤、煙煤和無煙煤），進行了不同煤種燃燒時礦物質轉化成灰行為及PM10生成特性的相關機理研究。本

2、論文進行的主要研究工作及成果包括：
　　采用CCSEM技術全面考察了煤粉、煤焦和煤灰樣品中礦物質的種類、粒徑、內/外在分布，及主量元素在礦物質中的分布，系統(tǒng)分析了煤中各類內在和外在礦物質在脫揮發(fā)分和燃燒階段發(fā)生的化學轉化和與化學轉化同時發(fā)生的分解、破碎、聚合等物理轉化。此研究在已有研究基礎上，加深了對煤粉燃燒過程中礦物質轉化行為的理解。如發(fā)現(xiàn)了三個實驗煤種中石英均在脫揮發(fā)分階段未有轉化，而煤焦燃燒階段則易與其他礦物成分結合生成硅鋁

3、酸鹽；各煤中高嶺石在脫揮發(fā)分階段可能發(fā)生了分解導致粒徑減小，而焦燃盡后又聚合生成粒徑更大的莫來石相成分。
　　采用CCSEM首次定量計算了煤粉燃燒過程礦物質交互作用發(fā)生的程度，及外在礦交互作用發(fā)生的程度。以主要成灰元素 Fe和 Ca為研究對象，分析了各礦物質中Fe和Ca與其它礦物發(fā)生交互作用的程度，及交互作用對應的源礦物與目標礦物的種類和含量。經分析得到，對于三個實驗煤種，28.3-57.7％的Fe與其它礦物發(fā)生了交互作用，而51

4、.3-68.1％的Ca發(fā)生了交互作用，同種煤中Ca發(fā)生交互作用的程度均高于Fe。外在礦中50％以內的Fe發(fā)生了交互作用，而有50％及以上的Ca發(fā)生外在礦交互作用，以Fe或Ca的轉化表征的外在礦交互作用均占總交互作用發(fā)生程度的60％以上，顯示了外在礦交互作用的重要性。
　　煤灰顆粒的球形度信息可以由CCSEM分析得到，因而通過CCSEM分析了各化學組成灰顆粒的煤中起源礦物和球形度變化程度，實現(xiàn)了各化學組成煤灰顆粒熔融傾向的預測，這為

5、單顆粒煤灰的熔融傾向提供了一種新的識別方法。對于三個實驗煤種而言，莫來石相成分主要來自于原煤中高嶺石的直接轉化，在燃燒后發(fā)生了部分熔融， YQ無煙煤和CF褐煤中明顯熔融，主要是由于部分Ca、Na等致渣元素的進入導致了熔點降低。DT煙煤煤灰中含量較大的K硅鋁酸鹽主要來自于熱穩(wěn)定的源礦物高嶺石和石英，導致新生成的K硅鋁酸鹽未發(fā)生明顯熔融。無煙煤和煙煤中難識別礦物成分含量與原煤相似，無煙煤中熔融程度的增加主要來自于 Ca、Fe等元素的加入，褐

6、煤灰中含量明顯增大的富含F(xiàn)e和Ca的硅鋁酸鹽，則由于Ca的大量加入導致燃燒后發(fā)生了明顯的熔融。
　　采用富含與碳基質結合的內在礦的中密度煤（1.4-1.6g/cm3）作為實驗用煤進行了空氣氣氛燃燒實驗，通過分析煤/焦的結構與燃燒行為，煤中無機元素/礦物的賦存與分布，及PM10的生成質量與化學成分揭示了煤中碳的燃燒和礦物性質對PM10生成行為重要的共同影響。論文實驗條件下三個煤種的燃燒結果可知，PM0.6與無機成分性質的關系較小，受

7、煤種的燃燒性質影響較大：較低階煤中明顯的局部還原氣氛導致了較低階煤中更多PM0.1的生成；較低階煤燃燒時大部分無機元素種類的氣化/凝結和異相凝結機理均被促進，導致了較低階煤PM0.1-0.6生成量的增加。而PM0.6-10則與碳燃燒時的煤焦破碎，及內在礦本身的種類及性質關系都很大：煤焦顆粒在燃燒初期的破碎，及難熔不聚合礦物石英等的富存導致了HLH褐煤PM0.6-10最高的生成量；PDS煙煤比CZ無煙煤更高的焦顆粒燃燒溫度和焦膨脹率導致焦

8、破碎更明顯，更大比例的細礦物被轉化為較細顆粒物，導致煙煤更多PM0.6-10的生成。
　　新型氧燃料燃燒方式用CO2替代N2燃燒，煤焦的形成與燃燒過程均有明顯不同，在新型燃燒方式的研究背景下，首次研究了煤焦燃燒后 PM10的生成機理。由于 CO2氣氛脫揮發(fā)分時CO2會與煤焦發(fā)生氣化反應，CO2-焦的物化性質與N2-焦有明顯差異，將N2-焦和CO2-焦在空氣和O2/CO2條件下燃燒，發(fā)現(xiàn)兩種燃燒條件下PM10的生成量都明顯依賴于脫揮