CO2-水洗对高碱煤燃烧、成灰及颗粒物释放特性的影响研究

摘要

新疆准东田煤预测储量达到3900亿吨，开采潜力巨大，在我国能源结构中具有重要的战略地位。但是准东煤中碱金属及碱土金属（如钠/钙含量）显著高于常规煤种，在电厂燃用过程中导致了锅炉严重结渣沾污、颗粒物排放量高等问题，制约了准东高碱煤的推广使用。为了能够有效解决准东高碱煤利用过程中出现的上述问题，本文基于碱金属及碱土金属在准东高碱煤中的赋存形态，创新性地采用CO2-水洗的方式对高碱煤进行预处理。通过CO2-水洗弱酸性环境脱除准东高碱煤中的水溶和大部分有机态碱金属及碱土金属，从而有效控制准东高碱煤燃烧过程中的沾污结渣及颗粒物排放问题。围绕这一研究思路，本文采用实验手段分别研究了CO2-水洗对准东高碱煤矿物组成特性的影响、CO2-水洗对准东高碱煤成灰行为的影响规律、CO2-水洗对准东高碱煤燃烧及颗粒物释放特性的影响机制，全过程验证这一技术路线的可行性。具体研究内容如下： 首先，本文研究了CO2-水洗对高碱煤中钠/钙的脱除效果。实验选取典型的准东高碱煤，对煤样分别进行水洗和CO2-水洗预处理，并结合高碱煤中钠/钙的赋存形态，探究了CO2-水洗对高碱煤中钠/钙的脱除类型。研究发现,CO2-水洗对高碱煤中钠/钙脱除效果显著，部分煤种钠脱除率接近90%，钙的脱除率接近30%。除水溶态钠/钙外，CO2-水洗对煤中有机钠及碳酸钙等也有显著脱除效果。通过研究CO2-水洗对高碱煤低温灰特性的影响，发现CO2-水洗对高碱煤脱灰效果显著。高碱煤中钠、钙、镁、钾、氯、硫等元素的脱除是CO2-水洗煤灰产率显著降低的重要原因。 其次，本文就CO2-水洗对高碱煤成灰行为的影响展开研究。研究发现，在不同成灰温度下，CO2-水洗煤中钠/钙的释放量显著低于原煤和水洗煤。900℃时，CO2-水洗煤钠的释放量仅为原煤的25％，钙的释放量是相同温度下原煤中钙释放量的74％。随着成灰温度的升高，煤中钠元素存在形态发生改变，由水溶态转变为硅铝酸盐形态。此外，CO2-水洗煤灰熔点显著提高，熔融团聚现象被显著抑制，碱酸比显著降低，沾污结渣倾向明显减弱。CO2-水洗煤灰中Na2O含量低于1%，达到中国动力用煤标准。 最后，在热重实验台架和沉降炉中研究了CO2-水洗对高碱煤燃烧及颗粒物释放特性的影响。发现经过CO2-水洗后，煤样的着火温度和燃尽温度均低于原煤，且峰值燃烧速率接近或大于原煤，煤的燃烧特性相较原煤有所提高。在燃煤颗粒物方面，CO2-水洗能够显著减少高碱煤燃烧过程中颗粒物的生成，尤其对亚微米颗粒物生成的抑制作用更加明显。高碱煤中易气化元素元素含量显著降低是导致CO2-水洗煤亚微米颗粒物生成量上低于原煤和水洗煤的重要原因。 综上所述，CO2-水洗技术是一种温和高效的高碱煤燃前预处理技术，对准东高碱煤沾污结渣及颗粒物释放具有显著抑制作用。本文为高碱煤高效清洁利用提供了新思路，为CO2-水洗技术的规模化应用奠定了理论基础。

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