O2/CO2燃烧条件下煤粉热解和燃烧过程中矿物质的转化行为

摘要

煤粉热解和燃烧过程中矿物质的转化是O2/CO2燃烧技术中的重要一环。本论文利用高温滴管炉模拟煤粉在锅炉内部的实际过程，采用多种方法对不同热解和燃烧条件下的煤焦、煤灰进行分析。通过与O2/N2气氛下相关特性的系统比较研究O2/CO2燃烧条件对煤焦燃烧反应特性、煤粉热解和燃烧过程中矿物质的转化和颗粒破碎行为的影响，并利用计算机控制扫描电镜(CCSEM)技术定量研究煤中矿物质在热解和燃烧过程中的转化行为，以深入理解矿物质转化和颗粒破碎的机理。
　　对CO2和N2气氛热解所得煤焦的研究表明，气氛的变化特别是CO2气化作用显著影响煤焦的转化率，其对煤焦的反应性和燃烧特性参数的影响也非常明显，尤其是对煤焦燃烧反应的前半程影响更为显著；且CO2对反应性的影响与煤种有较大关系。同种煤N2煤焦和CO2煤焦中主要矿物质相种类基本一致，仅有某些矿物含量稍有差异，这说明CO2热解气氛对煤中主要矿物质的转化行为没有显著影响。实验还发现，CO2煤焦的破碎较N2煤焦更为显著。
　　对煤粉燃烧时矿物质转化的研究表明，O2/N2和O2/CO2燃烧条件的不同对煤中主要矿物质的转化没有明显影响，提高氧气浓度时各煤灰样中主要矿物质相的衍射峰强度也没有明显变化。对燃烧时颗粒破碎行为的研究表明，煤灰中细小颗粒的数目明显高于相应的煤焦样品，即煤焦在后继燃烬成灰过程中发生了明显破碎。对比相同氧气浓度条件下不同燃烧气氛煤灰发现O2/CO2煤灰的细小颗粒数目明显高于O2/N2煤灰，即高浓度CO2的存在有利于矿物质颗粒在燃烧过程中的破碎。当氧气浓度提高至30％时，两种燃烧气氛煤灰的细小颗粒数目明显减少，即高氧浓度可以减少颗粒的破碎，这是因为氧气浓度较高时，颗粒熔聚加强从而减少了颗粒的破碎。
　　对煤焦CCSEM分析结果表明，N2和CO2两种热解条件下，由于有机质的软化和挥发分的大量析出，煤中的无机矿物质颗粒接触、熔聚，长大成为较大的矿物质颗粒，且在CO2气氛下，由于CO2的气化作用，细小矿物质颗粒熔聚现象较N2条件下更加明显。对煤灰CCSEM分析结果表明，在O2/N2和O2/CO2燃烧条件下，煤内在矿物质发生了明显的熔聚，外在矿物质发生了显著的破碎，且O2/CO2燃烧条件下外在矿物质的破碎弱于O2/N2条件，这是O2/CO2气氛中高浓度CO2抑制了以方解石为主的外在矿物质的破碎造成的。
　　对煤焦和煤灰的CCSEM分析结果还表明，不同热解和燃烧气氛下煤焦、煤灰中主要矿物质种类是相同的，仅含量方面稍有差别，所以CCSEM的结果与煤焦、煤灰的XRD分析结果基本一致，也即热解和燃烧气氛的改变未对煤粉中主要矿物质的转化行为产生明显影响。