王 波,王勤輝,盧鑫耀,程樂鳴,吳迎春

(浙江大學(xué) 能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310027)

0 引 言

煤炭分選標(biāo)準(zhǔn)提高,導(dǎo)致風(fēng)化煤等低熱值煤儲量持續(xù)增加?；诘蜔嶂得豪脙r(jià)值及灰渣形成特性對流化床系統(tǒng)運(yùn)行和灰渣利用的影響,研究低熱值煤灰渣形成特性具有工業(yè)應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。煤的灰渣形成特性主要分為2方面:① 灰渣物理特性,即灰渣份額分布、顆粒特性。燃煤顆粒進(jìn)入爐膛后經(jīng)磨損、爆裂,最終以底渣、飛灰形式排出爐膛,構(gòu)成循環(huán)流化床的“一進(jìn)二出”灰平衡系統(tǒng)[1]。以TOMECZEK等[2]提出的考慮顆粒形狀因子的顆粒機(jī)械磨損模型為理論基礎(chǔ),高琦[3]通過25 kW高溫一維爐熱態(tài)燃燒,KE等[4-5]通過靜態(tài)燃燒、冷篩分及循環(huán)流化床鍋爐燃燒,發(fā)現(xiàn)隨煤顆粒粒徑增加,湖南大鈉煤和印度尼西亞褐煤的顆粒磨損率和飛灰份額降低;LIU等[6]利用小型流化床反應(yīng)爐研究了義馬煙煤的灰渣物理特性,發(fā)現(xiàn)隨灰分增加,煤顆粒粒徑對底渣顆粒特性的影響程度加劇。② 灰渣礦物特性,即煤中無機(jī)礦物質(zhì)的熱轉(zhuǎn)化規(guī)律。通常情況下,隨燃燒進(jìn)行,風(fēng)化煤中高嶺石轉(zhuǎn)化為石英和莫來石[7-8],石英保留其形狀和結(jié)構(gòu)[9],黃鐵礦分解氧化為赤鐵礦或磁鐵礦[10-12],方解石分解為氧化鈣[10,13]。HUANG等[14]利用滴管爐、XRD分析研究發(fā)現(xiàn)隨氧氣濃度增加,促進(jìn)了神華煤燃燒過程中生成Fe2O3;吳建群[15]基于泊松統(tǒng)計(jì)模型,通過純礦物和合成焦沉降爐高溫燃燒試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨氧氣濃度增加,顆粒燃燒溫度提升,黃鐵礦與高嶺石交互反應(yīng)減弱,黃鐵礦轉(zhuǎn)化物中赤鐵礦占比由46.80%增至67.70%。

目前,灰渣形成特性的研究對象多為常規(guī)煤種及部分特殊高堿煤如神華煤、準(zhǔn)東煤等,鮮見關(guān)于風(fēng)化煤的研究,無法為風(fēng)化煤在循環(huán)流化床中的大規(guī)模資源化利用提供理論和數(shù)據(jù)參考。筆者創(chuàng)新性地以低熱值高灰分風(fēng)化煤為研究對象,研究了不同煤顆粒粒徑和燃燒氣氛下風(fēng)化煤的灰渣份額分布、顆粒特性及礦物特性,為其在循環(huán)流化床中穩(wěn)定高效燃燒和灰渣的后續(xù)利用提供參考依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

選用山西低熱值風(fēng)化煤,基于GB 474—2008《煤樣的制備方法》,通過破碎、篩分、縮分,將煤分為0.5～<1.0、1.0～<1.6、1.6～<2.0、2.0～<2.5、2.5～<4.0、4.0～<5.0 mm共6個(gè)粒徑,分別進(jìn)行工業(yè)和元素分析、發(fā)熱量分析及礦物組分分析,結(jié)果如表1、圖1所示。

圖1 風(fēng)化煤樣品礦物組分Fig.1 Mineral composition of coal samples

表1 風(fēng)化煤工業(yè)、發(fā)熱量分析Table 1 Proximate,ultimate and calorific analysis of coal samples

由表1可知,各粒徑風(fēng)化煤灰分均高于41%、熱值均低于14.65 MJ/kg,為典型的低熱值煤。隨煤顆粒粒徑增加,風(fēng)化煤灰分由41.02%增至50.93%,固定碳由34.27%降至27.17%,碳元素含量減少。

由圖1可知,風(fēng)化煤中主要礦物相為高嶺石,不同粒徑風(fēng)化煤中各礦物含量隨粒徑增加無明顯變化規(guī)律:高嶺石占比均超過86.90%,此外還含有少量石英、黃鐵礦,質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于5%。

1.2 試驗(yàn)裝置及方法

1.2.1 試驗(yàn)裝置

利用小型流化床試驗(yàn)裝置,針對山西風(fēng)化煤開展了系列變工況熱態(tài)燃燒試驗(yàn),研究不同煤顆粒粒徑、燃燒氣氛下風(fēng)化煤流化床燃燒所得灰渣的形成特性。該小型流化床及相關(guān)檢測儀器包括紅外煙氣分析、馬爾文激光粒度儀、X射線衍射分析儀、馬弗爐等,如圖2所示。該流化床爐體為310S不銹鋼,高度700 mm,內(nèi)徑30 mm,分離器內(nèi)徑25 mm,預(yù)熱段長度約5.50 m。

圖2 小型鼓泡流化床燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Small bubbling fluidized bed combustion experimental system

1.2.2 試驗(yàn)方法

在小型鼓泡流化床中分別進(jìn)行不同煤顆粒粒徑及燃燒氣氛下的熱態(tài)燃燒重復(fù)試驗(yàn),試驗(yàn)方法如下:各工況均選用150 g粒徑0.25～0.35 mm石英砂為床料,對應(yīng)的冷態(tài)臨界流化風(fēng)速為0.071 m/s,考慮煤顆粒粒徑對灰渣形成特性的影響時(shí),取風(fēng)化煤30 g,進(jìn)氣為標(biāo)準(zhǔn)空氣,升溫速率為10 ℃/min,燃燒溫度為850 ℃左右,給料速度為2 g/min,依次對6個(gè)粒徑風(fēng)化煤樣品進(jìn)行30 min熱態(tài)燃燒試驗(yàn);考慮燃燒氣氛(出口O2濃度)對灰渣形成特性的影響時(shí),取1.0～1.6 mm風(fēng)化煤30 g,進(jìn)氣為標(biāo)準(zhǔn)空氣,燃燒溫度為850 ℃左右,通過調(diào)整給料速度以調(diào)整出口氧氣濃度C(O2),在C(O2)達(dá)到設(shè)定值并維持穩(wěn)定后,進(jìn)行30 min熱態(tài)燃燒試驗(yàn)并在該階段內(nèi)取樣。各熱態(tài)試驗(yàn)工況均控制進(jìn)氣流量為4.50 L/min,此時(shí)爐內(nèi)流化速度為0.41 m/s左右,為熱態(tài)臨界流化速度的2.93倍。試驗(yàn)過程中風(fēng)室壓力脈動(dòng)均勻且無局部結(jié)渣結(jié)焦現(xiàn)象,表面試驗(yàn)過程中流化狀態(tài)良好。

1.2.3 樣品分析方法

用天平稱量灰渣,根據(jù)環(huán)境統(tǒng)計(jì)手冊計(jì)算灰渣份額:

αdz=Mdz(100-Cdz)/BA,

(1)

αfh=Mfh(100-Cfh)/BA,

(2)

式中,αdz、αfh分別為底渣、飛灰份額,%;Mdz、Mfh分別為底渣、飛灰產(chǎn)生量,g;Cdz、Cfh分別為底渣、飛灰含碳量,%;B為耗煤量,g;A為風(fēng)化煤含灰量,%。

采用篩分法,用振篩機(jī)對各底渣進(jìn)行180 s冷態(tài)振篩,篩分結(jié)束后分別稱量各級顆粒質(zhì)量,計(jì)算底渣粒徑分布,所用篩網(wǎng)粒徑分別為0.5、1.0、1.6、2.0、2.5、4.0、5.0、6.0 mm;用馬爾文激光粒度分析儀對飛灰進(jìn)行粒度分析;參照DL/T 567.6—2016《火力發(fā)電廠燃料試驗(yàn)方法 第6部分:飛灰和爐渣可燃物測定方法》用馬弗爐煅燒灰渣分析其可燃物含量;參照SY/T 5163—2018《沉積巖黏土礦物相對含量X射線衍射分析方法》用X射線粉末衍射儀在Cu靶、管電流40 mA、管電壓40 kV、溫度20 ℃、空氣濕度45%的衍射條件下以2(°)/min掃描速度和0.02°步進(jìn)寬度在常規(guī)角度范圍內(nèi)對底渣進(jìn)行XRD步進(jìn)掃描,通過Jade軟件確定礦物相種類,再利用GSAS軟件對XRD圖譜進(jìn)行Rietveld全譜擬合方法,得到各礦物相相對含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤顆粒粒徑對風(fēng)化煤灰渣形成特性的影響

煤顆粒進(jìn)入流化床后依次經(jīng)歷:受熱干燥→揮發(fā)分析出燃燒→膨脹、磨損及一次爆裂→焦炭的燃燒和二次爆裂、磨損→燃盡[6,16],其中,顆粒爆裂是底渣的主要來源[17];飛灰則主要源于磨損,包括爐內(nèi)各區(qū)域燃煤顆粒間及顆粒與反應(yīng)器壁間的碰撞導(dǎo)致磨損[2]。

煤顆粒爐內(nèi)磨損率Raf[2,18]為

Raf=Kaf(Ug-Umf),

(3)

式中,Kaf為流化床中顆粒磨損系數(shù),隨粒徑增大而減小;Ug為表觀流化速度,m/s;Umf為最小流化速度,m/s。

2.1.1 煤顆粒粒徑對灰渣份額及顆粒特性的影響

根據(jù)式(1)、(2)及重復(fù)燃燒試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值,求得灰渣份額分布情況及粒徑分布曲線,如表2、圖3所示。

圖3 灰渣顆粒特性Fig.3 Particle properties of ash-slag

表2 灰渣質(zhì)量、含碳量及份額Table 2 Quality, carbon content and ratio of ash-slag

由表2可知,隨煤顆粒粒徑增加,αfh減少,αdz增加,且粒徑由1.6～<2.0 mm增至2.0～<2.5 mm時(shí),變化幅度明顯,αdz陡增22.77個(gè)百分點(diǎn)。結(jié)合工業(yè)分析可知,灰分增加使風(fēng)化煤強(qiáng)度和硬度增加,其入爐后的磨損程度減弱,且影響程度隨粒徑增加而增強(qiáng)。此外,隨粒徑增加,Kaf減小,Ug和Umf不變,由式(3)可知顆粒爐內(nèi)磨損率顯著降低。以上2方面因素共同作用,尤其是顆粒機(jī)械強(qiáng)度、硬度增加,使?fàn)t內(nèi)細(xì)顆粒減少最終導(dǎo)致飛灰生成量減少。

由圖3(a)可知,風(fēng)化煤底渣的顆粒特性主要取決于原始粒徑:顆粒粒徑由0.5～<1.0 mm增至2.0～<2.5 mm,集中于其原始粒徑范圍內(nèi)的底渣質(zhì)量份額由75.62%降至31.96%,粒徑大于1.6 mm后下降趨勢更明顯;煤顆粒粒徑由2.0～<2.5 mm增至4.0～<5.0 mm,該比例增加。結(jié)果表明,煤粒徑小于2.0～<2.5 mm時(shí),揮發(fā)分析出產(chǎn)生的內(nèi)部壓力和熱應(yīng)力起主要作用,加劇煤顆粒爆裂;煤顆粒粒徑大于2.0～<2.5 mm后,灰分增加導(dǎo)致的自身硬度增強(qiáng)對顆粒爆裂的抑制作用逐漸強(qiáng)于熱應(yīng)力和內(nèi)部壓力的促進(jìn)作用。由圖3(b)可知,各粒徑風(fēng)化煤飛灰的粒徑分布相似,集中于50～600 μm。隨粒徑增加,煤顆粒爐內(nèi)磨損程度降低,爆裂程度有所上升,產(chǎn)生更多細(xì)顆粒,且最終以飛灰形式離開爐膛,導(dǎo)致飛灰粒徑總體向更小方向偏移,集中于50～200 μm飛灰份額增加。

2.1.2 煤顆粒粒徑對底渣礦物特性的影響

經(jīng)流化床燃燒,煤顆粒中礦物轉(zhuǎn)化存在以下2種路徑:① 各礦物獨(dú)立轉(zhuǎn)化,包括高嶺石脫水分解、黃鐵礦轉(zhuǎn)化為鐵氧化物、石英熱轉(zhuǎn)化、方解石分解及硫酸鹽化等;② 各礦物間交互反應(yīng),如含鐵礦物與黏土礦物、石英聚集共熔,硬石膏與偏高嶺石反應(yīng)生成鈣長石等。

按第1.2.2節(jié)所述測試條件,對不同粒徑風(fēng)化煤底渣進(jìn)行XRD分析和Rietveld全譜擬合,得到XRD譜線及各礦物組分含量,如圖4所示。由圖4可知,各工況底渣XRD譜線的峰位相似,峰強(qiáng)不同,說明燃燒溫度、流化風(fēng)速、燃燒氣氛等條件相同時(shí),僅改變煤顆粒粒徑不會導(dǎo)致風(fēng)化煤燃燒過程中生成的礦物相種類發(fā)生變化,但各礦物相含量有所波動(dòng)。

圖4 底渣XRD譜線及礦物組分含量Fig.4 XRD lines and mineral content of bottom slag

為進(jìn)一步探究風(fēng)化煤中礦物顆粒在燃燒過程中熱轉(zhuǎn)化路徑,統(tǒng)計(jì)分析了3次重復(fù)試驗(yàn)各粒徑風(fēng)化煤燃燒底渣中各礦物含量,計(jì)算其平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差。3次重復(fù)試驗(yàn)中,石英、赤鐵礦含量標(biāo)準(zhǔn)偏差絕對值均低于其平均值的5%,高嶺石、莫來石、鈦鐵礦含量標(biāo)準(zhǔn)偏差絕對值均低于其平均值的10%。根據(jù)數(shù)據(jù)繪制各礦物組分變化量曲線及標(biāo)準(zhǔn)偏差(圖4)?？芍獙︼L(fēng)化煤而言:

1)隨煤顆粒粒徑增加,石英含量逐漸增加。高嶺石(Al2O3·2SiO2·2H2O)是底渣中石英(SiO2)及莫來石(3Al2O3·2SiO2)的主要來源。煤顆粒中的高嶺石高溫轉(zhuǎn)化路徑[19-21]如下:

(4)

(5)

(6)

(7)

煤顆粒粒徑對燃燒過程中高嶺石、石英及莫來石熱轉(zhuǎn)化影響體現(xiàn)在以下方面:① 隨煤顆粒粒徑增加,高嶺石轉(zhuǎn)化量逐漸增加,石英生成量增加。煤顆粒粒徑小于2.0 mm,高嶺石轉(zhuǎn)化量增加明顯:煤顆粒粒徑為0.5～<1.0、1.0～<1.6、1.6～<2.0 mm時(shí),底渣中高嶺石含量分別為16.6%、9.5%、6.6%,持續(xù)下降且降幅較大,粒徑大于2.0 mm后,高嶺石質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于5.53%,轉(zhuǎn)化較完全。煤在脫揮發(fā)分后會膨脹生成空心微珠結(jié)構(gòu)[22-23],導(dǎo)致礦物暴露在表面。隨顆粒粒徑增加,脫揮發(fā)分過程中氣體產(chǎn)率增加,形成更多空心微珠,為O2向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散提供通道,促進(jìn)焦炭燃燒和內(nèi)在礦物的反應(yīng)。充足的O2和焦炭燃燒形成高溫,有利于反應(yīng)(4)～(7)發(fā)生,促進(jìn)了內(nèi)在高嶺石的熱分解及轉(zhuǎn)化。② 隨煤顆粒粒徑增加,石英與焦炭反應(yīng)逐漸減弱,石英消耗量減少。對于粒徑較小的煤顆粒,O2向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)小、通道少,顆粒內(nèi)部易形成還原性氣氛。碳存在的還原性氣氛中,石英會與碳發(fā)生反應(yīng)(8)及(9),且發(fā)生反應(yīng)(8)的可能性遠(yuǎn)超反應(yīng)(9)[24]。同時(shí),還原性越強(qiáng),越有利于反應(yīng)(8)發(fā)生。煤顆粒粒徑增加后,顆粒內(nèi)部氣氛還原性逐漸減弱,反應(yīng)(8)受到抑制,更多SiO2以晶體形式留存在底渣中。

(8)

(9)

2)隨煤顆粒粒徑增加,赤鐵礦(Fe2O3)生成量逐漸增加(各粒徑風(fēng)化煤原料中均未檢測到赤鐵礦,故判斷底渣中赤鐵礦均源自其他礦物的熱轉(zhuǎn)化)。赤鐵礦是風(fēng)化煤燃燒后底渣中主要的含鐵礦物,主要源自黃鐵礦(FeS2),其熱轉(zhuǎn)化過程可分為2個(gè)階段:① 黃鐵礦500～700 ℃熱分解為磁黃鐵礦(Fe1-xS),該過程由顆粒表面的化學(xué)反應(yīng)控制;② 隨溫度升高磁黃鐵礦氧化為磁鐵礦或赤鐵礦,由氧氣分子擴(kuò)散控制[24-25]。

隨煤顆粒粒徑增加,圖4(a)中赤鐵礦峰位增強(qiáng)。0.5～<1.0 mm風(fēng)化煤底渣中赤鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.40%,1.6～<2.0 mm風(fēng)化煤底渣赤鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)32.82%。為進(jìn)一步探究顆粒粒徑對黃鐵礦轉(zhuǎn)化的影響機(jī)理,選用ARACENA等[25]提出的黃鐵礦反應(yīng)模型:

ln(1-XPy)=kappt,

(10)

(11)

式中,XPy為黃鐵礦轉(zhuǎn)化為磁黃鐵礦轉(zhuǎn)化分?jǐn)?shù);kapp為表觀反應(yīng)速率常數(shù),mol/(L·s);t為時(shí)間,s;k為反應(yīng)速率常數(shù),mol/(L·s);b為O2與FeS2的物質(zhì)的量比;P(O2)為O2分壓,kPa;n為反應(yīng)級數(shù);r為反應(yīng)顆粒粒徑,mm;Ea為表觀活化能,kJ/mol;R為氣體常數(shù),J/(K·mol);T為溫度,K。

由上述模型可知,隨顆粒粒徑r增加,黃鐵礦熱分解反應(yīng)的kapp減小,在反應(yīng)時(shí)間不變的情況下,XPy增加,磁黃鐵礦產(chǎn)率增加,從而促進(jìn)最終赤鐵礦產(chǎn)量增加。此外,氣體擴(kuò)散系數(shù)隨粒徑增加而增大,脫揮發(fā)分過程形成的空心微珠結(jié)構(gòu)增加,顆粒內(nèi)部黃鐵礦分解產(chǎn)生的硫蒸氣向外擴(kuò)散及O2向顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散增強(qiáng),促進(jìn)磁黃鐵礦轉(zhuǎn)化為赤鐵礦/磁鐵礦以及磁鐵礦進(jìn)一步氧化為赤鐵礦。以上因素共同作用,導(dǎo)致在有限燃燒時(shí)間內(nèi),小粒徑風(fēng)化煤燃燒后赤鐵礦生成量少,隨煤顆粒粒徑增大,赤鐵礦生成量增加。

0.5～5.0 mm粒徑范圍內(nèi)結(jié)果表明,2.0～4.0 mm風(fēng)化煤顆粒燃燒產(chǎn)生的底渣、飛灰含碳量分別低于0.15%、1.67%,燃燒效率較高;同時(shí),高嶺石轉(zhuǎn)化較完全,石英、莫來石、赤鐵礦生成量高,有利于其灰渣的后續(xù)利用,可用于指導(dǎo)后續(xù)工業(yè)裝置的設(shè)計(jì)和運(yùn)行。

2.2 燃燒氣氛(出口煙氣中O2濃度)對風(fēng)化煤成灰特性的影響

為減少排煙熱損失、提高鍋爐效率并控制大氣污染物排放,工業(yè)鍋爐通常控制煙氣含氧量在4%～6%。為探究燃燒氣氛對風(fēng)化煤灰渣形成特性的影響,同時(shí)兼顧系統(tǒng)效率、污染物排放等,對風(fēng)化煤進(jìn)行不同出口煙氣中O2體積分?jǐn)?shù)(C(O2))(0～6%)下的熱態(tài)燃燒試驗(yàn)。綜合考慮灰渣物理和礦物特性,選取灰渣份額分布均勻且礦物轉(zhuǎn)化率相對較高的1.0～1.6 mm風(fēng)化煤進(jìn)行燃燒氣氛相關(guān)試驗(yàn)。各工況設(shè)定參數(shù)、實(shí)測參數(shù)及C(O2)變化曲線分別如表3、圖5所示。

圖5 出口煙氣中O2體積分?jǐn)?shù)變化Fig.5 Outlet oxygen volume fraction change

表3 試驗(yàn)工況及實(shí)測數(shù)據(jù)Table 3 operation conditions and measured data of experiments

由表3、圖5可知,在維持進(jìn)氣為標(biāo)準(zhǔn)空氣且流量一定的情況下,通過調(diào)整給料速度,可將出口O2濃度控制在設(shè)定范圍內(nèi),維持爐內(nèi)燃燒氣氛穩(wěn)定,達(dá)到試驗(yàn)條件。

2.2.1 燃燒氣氛對灰渣份額及顆粒特性的影響

采用第1.2.3節(jié)方法,對1.0～1.6 mm風(fēng)化煤在不同C(O2)下經(jīng)小型流化床熱態(tài)燃燒重復(fù)試驗(yàn)后得到的灰渣進(jìn)行分析,得到其灰渣份額和粒徑分布分別如表4、圖6所示。

圖6 灰渣粒徑分布Fig.6 Particle size of ash-slag

表4 灰渣質(zhì)量、含碳量及份額分布Table 4 Quality,carbon content and share distribution of bottom slag and fly ash

由表4可知,底渣份額維持在68%～75%,且隨C(O2)增大變化不明顯。由圖6可知,C(O2)改變不會顯著影響風(fēng)化煤灰渣顆粒的粒徑分布,各工況下均有超過79.3%顆粒在燃燒后集中于煤顆粒原始粒徑及低一檔粒徑范圍內(nèi)。不同C(O2)下飛灰的粒徑分布相似,集中在50～600 μm。值得注意的是,C(O2)低于0.27%時(shí),約有20%底渣顆粒粒徑大于原始粒徑,說明燃燒過程中存在熔融現(xiàn)象,需結(jié)合后續(xù)礦物XRD分析結(jié)果探明其具體轉(zhuǎn)化過程。

2.2.2 燃燒氣氛對底渣礦物特性的影響

采用第1.2.2節(jié)方法,對不同燃燒氣氛下所得底渣進(jìn)行XRD分析。由于各工況燃用同批次風(fēng)化煤,其原料中各礦物含量相同,為研究流化床燃燒對各礦物生成/消耗的影響,故對底渣中礦物含量進(jìn)行分析,繪制出不同C(O2)下底渣的XRD譜線、礦物組分含量曲線及其標(biāo)準(zhǔn)偏差,如圖7所示。3次重復(fù)試驗(yàn)中,主要礦物含量的標(biāo)準(zhǔn)偏差大多不超過其均值的5%,試驗(yàn)結(jié)果可靠。

圖7 底渣XRD分析Fig.7 XRD analysis of bottom slag

由圖7可知,C(O2)變化不會改變風(fēng)化煤中礦物種類,但會影響其生成量:

1)石英、莫來石含量隨C(O2)增加同步增加。C(O2)<2.10%時(shí),變化幅度尤其明顯:石英生成量由41.21%增至53.23%,莫來石生成量由7.24%增至16.53%,高嶺石生成量由36.52%降至8.10%;C(O2)>2.10%后,變化幅度減小。C(O2)<2.10%時(shí),煤顆粒在爐內(nèi)經(jīng)歷低氧燃燒過程,尤其C(O2)為0時(shí),爐內(nèi)可能存在缺氧燃燒。

在強(qiáng)氧化氣氛下,高嶺石能最快速有效完成脫羥基、脫碳過程,而還原氣氛會對其產(chǎn)生不良影響,且隨還原氣氛增強(qiáng)而加深[20]。高嶺石脫水反應(yīng)機(jī)制遵循二維擴(kuò)散控制規(guī)律,O2濃度較低時(shí),其在煤顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散受限,高嶺石脫羥基過程受到抑制,此時(shí),高嶺石中Si、Al活性也維持在較低水平,以上因素共同作用,抑制高嶺石轉(zhuǎn)化分解。隨C(O2)增加,O2向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散增強(qiáng),顆粒內(nèi)氣氛逐漸轉(zhuǎn)為氧化性,促進(jìn)高嶺石脫羥基,有利于其轉(zhuǎn)化分解;同時(shí),氧化性氣氛的增強(qiáng)能有效抑制各礦物間的交互反應(yīng),防止高嶺石、石英等與其他礦物相互反應(yīng)生成低溫共熔體;此外,由表3可知,隨O2濃度增加爐內(nèi)密相區(qū)溫度均值逐漸增加,說明C(O2)增加會提高顆粒燃燒溫度,使高嶺石中Si、Al活性提高,促進(jìn)偏高嶺石相變、SiO2分凝以及莫來石相的形成。

2)赤鐵礦生成量隨C(O2)增加持續(xù)增加。C(O2) 由0逐漸增至5.16%,赤鐵礦質(zhì)量分?jǐn)?shù)由6.81% 增至23.32%,原因有:① 黃鐵礦分解反應(yīng)受動(dòng)力學(xué)控制,隨爐內(nèi)O2濃度增加,黃鐵礦分解反應(yīng)加劇,硫蒸氣和O2的化合反應(yīng)會使黃鐵礦進(jìn)一步分解;② 在還原性氣氛下,磁黃鐵礦會首先與O2反應(yīng)生成Fe-O-S低溫共熔體,顆粒表面O2濃度足夠高時(shí),才會由外而內(nèi)繼續(xù)氧化,否則,會形成鐵氧化物甚至進(jìn)一步與硅鋁酸鹽發(fā)生反應(yīng)形成鐵玻璃體,這也是工況1、2中出現(xiàn)粒徑大于顆粒原始粒徑的底渣顆粒的原因。隨C(O2)逐漸增加,促進(jìn)黃鐵礦分解和磁黃鐵礦進(jìn)一步氧化,底渣中赤鐵礦含量隨之增加。

3 結(jié) 論

1)煤顆粒粒徑是決定風(fēng)化煤流化床燃燒灰渣份額分布及顆粒特性的關(guān)鍵因素?；曳衷?1%～51%的風(fēng)化煤,增大煤顆粒粒徑,可顯著降低其磨損程度,飛灰生成量減少,底渣份額增加。

2)煤顆粒粒徑不會改變風(fēng)化煤燃燒生成礦物相的種類,但會改變各礦物生成/消耗量。經(jīng)過流化床燃燒后,風(fēng)化煤中的高嶺石大部分轉(zhuǎn)化為石英及莫來石,隨煤顆粒粒徑增加,石英生成量、高嶺石轉(zhuǎn)化量增加;黃鐵礦受熱分解氧化最終形成赤鐵礦,且赤鐵礦生成量隨煤顆粒粒徑增大而增加。4.0～5.0 mm 風(fēng)化煤其底渣石英含量、赤鐵礦含量和高嶺石轉(zhuǎn)化量分別為0.5～1.0 mm風(fēng)化煤的1.25、1.24、1.21倍。

3)燃燒氣氛對風(fēng)化煤灰渣形成特性的影響主要體現(xiàn)在其礦物特性:煤顆粒粒徑相同時(shí),C(O2)增加促進(jìn)風(fēng)化煤中的高嶺石和黃鐵礦的受熱分解:隨C(O2)由0增至5.16%,底渣中石英生成量由41.21% 增至51.13%、莫來石生成量由7.24%增至21.42%、赤鐵礦生成量由6.81%增至23.32%、高嶺石剩余量由36.52%降至8.10%。尤其爐內(nèi)由缺氧燃燒轉(zhuǎn)為有氧燃燒時(shí),其對高嶺石轉(zhuǎn)化的促進(jìn)作用尤為明顯。

4)在0.5～5.0 mm粒徑和0～5.16%出口煙氣O2濃度范圍內(nèi)研究結(jié)果表明,流化床燃用風(fēng)化煤應(yīng)將入爐燃料粒徑控制在2.0～4.0 mm,同時(shí)維持出口煙氣O2體積分?jǐn)?shù)在3%～5%時(shí),風(fēng)化煤燃燒產(chǎn)生灰渣的含碳量較低,燃燒效率較高;同時(shí),底渣中高嶺石、黃鐵礦轉(zhuǎn)化較完全,能產(chǎn)生大量石英、莫來石、赤鐵礦等,有利于灰渣二次利用,可用于工業(yè)應(yīng)用裝置設(shè)計(jì)和運(yùn)行參考。