燃煤礦物質(zhì)成灰行為的CCSEM分析與PM10生成特性的研究.pdf

1、未來相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，化石能源尤其是煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中仍將占主體地位。煤粉燃燒過程中礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化既引起鍋爐爐墻結(jié)渣，威脅火電廠鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，又產(chǎn)生大量空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于10μm甚至是2.5μm的顆粒物（PM10和PM2.5），造成嚴(yán)重的環(huán)境和健康危害。針對(duì)上述問題，本論文借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)掃描電鏡（CCSEM）逐粒分析技術(shù)，選取典型的煤階（褐煤、煙煤和無煙煤），進(jìn)行了不同煤種燃燒時(shí)礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化成灰行為及PM10生成特性的相關(guān)機(jī)理研究。本

2、論文進(jìn)行的主要研究工作及成果包括：
　　采用CCSEM技術(shù)全面考察了煤粉、煤焦和煤灰樣品中礦物質(zhì)的種類、粒徑、內(nèi)/外在分布，及主量元素在礦物質(zhì)中的分布，系統(tǒng)分析了煤中各類內(nèi)在和外在礦物質(zhì)在脫揮發(fā)分和燃燒階段發(fā)生的化學(xué)轉(zhuǎn)化和與化學(xué)轉(zhuǎn)化同時(shí)發(fā)生的分解、破碎、聚合等物理轉(zhuǎn)化。此研究在已有研究基礎(chǔ)上，加深了對(duì)煤粉燃燒過程中礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化行為的理解。如發(fā)現(xiàn)了三個(gè)實(shí)驗(yàn)煤種中石英均在脫揮發(fā)分階段未有轉(zhuǎn)化，而煤焦燃燒階段則易與其他礦物成分結(jié)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(dǎo)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(jì)算了煤粉燃燒過程礦物質(zhì)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(duì)象，分析了各礦物質(zhì)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(duì)應(yīng)的源礦物與目標(biāo)礦物的種類和含量。經(jīng)分析得到，對(duì)于三個(gè)實(shí)驗(yàn)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(nèi)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(zhuǎn)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(xué)組成灰顆粒的煤中起源礦物和球形度變化程度，實(shí)現(xiàn)了各化學(xué)組成煤灰顆粒熔融傾向的預(yù)測(cè)，這為

5、單顆粒煤灰的熔融傾向提供了一種新的識(shí)別方法。對(duì)于三個(gè)實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)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(jìn)入導(dǎo)致了熔點(diǎn)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(dǎo)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(shí)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(dǎo)致燃燒后發(fā)生了明顯的熔融。
　　采用富含與碳基質(zhì)結(jié)合的內(nèi)在礦的中密度煤（1.4-1.6g/cm3）作為實(shí)驗(yàn)用煤進(jìn)行了空氣氣氛燃燒實(shí)驗(yàn)，通過分析煤/焦的結(jié)構(gòu)與燃燒行為，煤中無機(jī)元素/礦物的賦存與分布，及PM10的生成質(zhì)量與化學(xué)成分揭示了煤中碳的燃燒和礦物性質(zhì)對(duì)PM10生成行為重要的共同影響。論文實(shí)驗(yàn)條件下三個(gè)煤種的燃燒結(jié)果可知，PM0.6與無機(jī)成分性質(zhì)的關(guān)系較小，受

7、煤種的燃燒性質(zhì)影響較大：較低階煤中明顯的局部還原氣氛導(dǎo)致了較低階煤中更多PM0.1的生成；較低階煤燃燒時(shí)大部分無機(jī)元素種類的氣化/凝結(jié)和異相凝結(jié)機(jī)理均被促進(jìn)，導(dǎo)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(shí)的煤焦破碎，及內(nèi)在礦本身的種類及性質(zhì)關(guān)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(dǎo)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(dǎo)致焦

8、破碎更明顯，更大比例的細(xì)礦物被轉(zhuǎn)化為較細(xì)顆粒物，導(dǎo)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(jī)理。由于 CO2氣氛脫揮發(fā)分時(shí)CO2會(huì)與煤焦發(fā)生氣化反應(yīng)，CO2-焦的物化性質(zhì)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