论文部分内容阅读
准东煤田是我国乃至世界上最大的整装煤田,但是由于准东煤中钠含量较高,常规燃烧过程会造成炉膛内部受热面严重的积灰结渣问题。尽管可以通过添加富含Al2O3和SiO2的添加剂对燃烧过程进行改善,但是并不能从根本上解决该问题。因此,希望跳出传统燃烧的范畴,找到一种适合准东煤燃烧的新型燃烧方式。化学链燃烧技术是一种借助中间载氧体的新型无焰燃烧方式。基于赤铁矿石为载氧体的煤化学链燃烧技术已经被广泛研究和证实是一种高效的煤燃烧技术。若进行基于赤铁矿石的准东煤化学链燃烧,赤铁矿石中含有的SiO2和Al2O3有可能同样会达到抑制准东煤燃烧积灰结渣的作用。同时,煤化学链燃烧过程中最大的问题是煤气化速率较慢,而准东煤中恰好含有大量的碱金属钠,若将准东煤运用到化学链燃烧技术中,可以将原本对于准东煤常规燃烧的一个不利因素,转变为解决煤化学链燃烧煤气化速率较慢问题的一个有利因素。除此之外,赤铁矿石的载氧率较低,而准东煤相比于其他煤种氧含量较高,因此准东煤与赤铁矿石的结合正好可以“分担”载氧体输送晶格氧的“压力”。最后,由于煤化学链燃烧过程的燃料反应器内是温度较低的还原性气氛,不同于常规燃烧中温度较高的氧化性气氛,对于钠和氯的迁移释放规律也会产生一定影响。因此,本文对基于赤铁矿石的准东煤化学链燃烧进行了一个较为全面的研究。首先,分别在小型单流化床反应器和1kWth串行流化床反应器上进行了基于赤铁矿石的准东煤化学链燃烧的可行性实验研究。单流化床反应器上的实验结果表明:(1)由于准东煤中钠含量较高,准东煤的碳转化率和转化速率都明显高于其他煤种,使整个煤化学链燃烧过程效率大大提高;(2)气化介质对于钠在飞灰中的存在形式具有很大影响,CO2和H2O(水蒸气)作为气化介质时,钠在煤灰中主要都是以高熔点Na2O·Al2O3·6SiO2的形式存在,而H2O(水蒸气)气氛下Na2O·Al203·6SiO2的生成量更多,因此H2O(水蒸气)作为气化介质时更能抑制准东煤的结渣问题;(3)循环实验中,赤铁矿石的反应活性随着循环次数的增加而有所改善,同时,准东煤中的钠会迁移到赤铁矿石上形成Na3FeO2,既改善了赤铁矿石的孔隙结构又进一步提高了赤铁矿石的反应活性。1kWth串行流化床反应器上的实验结果表明:(1)在更加接近工程运行模式的反应器内,准东煤在化学链燃烧过程中的效率值较高且钠在飞灰中是以高熔点的Na2O·Al2O3·6SiO2的形式存在,而不是低熔点的NaCl或者硅酸钠;(2)在运行过程中,NOx排放量也相对较少;(3)在10小时连续运行过程中,没有出现失流态化现象,且赤铁矿石的孔隙结构得到一定程度的改善。由于现阶段的煤化学链燃烧技术还无法实现载氧体与煤灰的有效分离,而载氧体与煤灰在高温下的相互作用可能会在一定程度上影响载氧体的性能。因此,在热重反应器上对化学链燃烧过程中准东煤灰进行了特性分析,其中包括:准东煤灰的成灰特性、载氧性能以及其他固体添加剂的影响等方面。主要结论如下:(1)准东煤的成灰速率随着温度的升高而增加,且H2O(水蒸气)气氛下的成灰速率要高于CO2气氛;(2)与传统燃烧方式相比,化学链燃烧过程中固留在煤灰中的钠含量较少,尤其是以H2O(水蒸气)为气化介质的化学链燃烧过程;(3)准东煤灰在化学链燃烧过程中具备释氧和再生的功能,促进了燃料反应器内整个反应的正向进行;(4)不同固体添加剂对于准东煤灰结渣倾向的影响不一样,其中纯SiO2的抑制效果最差,高岭土与铝矾土的作用相当,而纯Al2O3的抑制作用最强。由于准东煤中的大部分钠是以NaCl的形式存在,同时主要是与赤铁矿石中的Al2O3和SiO2发生的反应。因此,研究了 NaCl与Al2O3和SiO2三者在不同反应次序和反应气氛下钠的迁移特性。实验结果发现:反应次序和反应气氛对钠的迁移特性都有很大影响。NaCl先与SiO2再与Al2O3的反应次序更有利于钠的固定,同时随着反应温度的升高,更多的钠会以硅铝酸盐的形式被固定在最终固态生成物上。另外,不同反应气氛对于钠含量的固定规律也有所不同。当NaCl先与SiO2反应后再与Al2O3反应时,固钠效果主要取决于NaCl先与SiO2反应生成的Na2O·3SiO2含量,四种气氛下最终产物中钠含量的大小关系为O2>H2O>CO2>N2。而当NaCl先与Al2O3反应后再SiO2与反应时,固钠效果主要取决于NaCl先与Al2O3反应生成的熔融态NaCl含量,四种气氛下最终产物中钠含量的大小关系为N2>CO2>H2O>O2。最后,探讨了基于赤铁矿石的准东煤化学链燃烧过程中氯和钠的迁移规律。将整个过程拆分成热解、气化以及与赤铁矿石反应三个阶段,对准东煤化学链燃烧过程中氯和钠的迁移特性做了详细研究分析,并给出各过程中氯和钠的迁移路径示意图。在低温段和高温段,氯表现出的迁移路径有所不同,但是最终出口处的释放形式都是以多部分的气态HCl和少部分的气态NaCl为主。在低温度和高温段,钠表现出的迁移路径也有所不同,但是最终产物都是以少部分的气态NaCl和多部分的固态Na2O·3SiO2和Na2O·nAl2O3·mSi02为主。