还原性气氛下淮南煤灰行为特征的研究

论文摘要

深入研究淮南煤中矿物组成、矿物粒度分布规律、还原性气氛下灰的行为特征和熔融机理,对于从根本上解决淮南煤在气化过程中与灰相关的各种技术和环境问题具有重要的作用,对于淮南煤的清洁、高效、经济利用具有重要意义。本论文利用计算机控制扫描电镜（CCSEM）、X射线衍射仪（XRD）、X射线荧光光谱（XRF）研究了淮南矿区煤样的矿物组成、煤灰的晶体矿物组成和化学组成以及矿物颗粒分布规律;在还原性气氛下,考查了利用助熔剂和配煤降低淮南煤灰熔融温度,改善粘温特性的影响规律,探讨了煤中矿物组成、晶体矿物组成与煤灰熔融温度的关系;利用傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）、XRD、CCSEM等现代分析测试手段,探讨了助熔剂和配煤对淮南煤灰的矿物组成变化规律和煤灰熔融过程的影响机理;利用FactSage热力学软件计算了还原性气氛下,随温度变化,煤灰液相生成量和矿物组成变化趋势、对高温下煤灰行为特征和煤灰熔融温度进行了预测。主要得到如下几个方面的结论。1.淮南煤中矿物组成和粒度组成分布规律（1）淮南煤中矿物主要由高岭石、蒙脱石、石英、黄铁矿、方解石、白云石、未知组成和其它微量矿物所组成。高岭石等粘土矿物和石英含量占矿物含量的60%以上,高岭石含量愈高的淮南煤,其煤灰熔融温度也呈现愈高的趋势。淮南煤与G3、B1和H煤三种外地煤（煤灰熔融温度小于1350℃）所含主要矿物组成种类基本相似,但含量差别很大,主要区别是淮南煤中高岭石和其它粘土矿物含量高。粘土矿物、黄铁矿、方解石和白云石含量对于煤灰熔融温度高低起决定性作用。（2）淮南煤中高岭石、石英矿物的粒度呈现双峰分布的规律,直接导致煤中矿物颗粒分布也呈双峰分布的趋势,矿物颗粒直径分别在10μm和100μm左右时达到最大值。蒙脱石、方解石和黄铁矿颗粒的分布呈现单峰分布的规律,黄铁矿在煤中主要以100μm大颗粒形式存在。矿物颗粒的大小和分布对煤气化过程中灰的化学行为、熔融特性和飞灰粘附特性会产生重要的影响。2.助熔剂与配煤对煤灰熔融温度的影响（1） ADC、ADF、ADN三种助熔剂均可不同程度的降低淮南煤灰熔融温度,三种助熔剂对淮南煤灰的助熔效果的排列顺序为ADN＞ADF＞ADC。ADC对HN115和HN119煤灰熔融温度的影响趋势相似,随助熔剂加量增加,煤灰熔融温度呈现先上升,迅速下降和上升的变化趋势,说明了ADC助熔剂助熔反应的复杂性。ADN助熔剂对淮南四种煤的助熔效果十分明显。ADN助熔剂的灰基添加量为4.55%时,可以使KL1煤灰熔融温度降到1380℃,满足Texaco液态排渣操作温度的要求,助熔效果相比其它淮南煤更为显著。随ADF添加量增加,四种淮南煤灰熔融温度均呈线性下降趋势。（2） H、G3、B1煤与淮南煤配合可以使淮南煤灰流动温度降低至1380℃以下,满足Texaco气化炉运行要求。三种煤对淮南煤配煤助熔效果排序为:B1＞H＞G3。随配煤比例的增加,除B1与HN106配煤灰流动温度呈现非线性变化趋势外,配煤后煤灰的流动温度的变化呈现线性下降的变化趋势。（3）利用多元线性回归原理,分别建立了助熔剂添加量、配煤比例与淮南煤灰熔融温度关系数学模型。3.助熔剂与配煤对煤灰粘温特性影响（1）淮南HN119与KL1煤灰粘度对温度变化的反应较敏感,随温度的降低,粘度迅速升高,属于“结晶渣”类型,不适合在液态排渣气化炉中使用。在相同温度下,B1和G3煤灰的粘度比淮南煤灰的粘度要低的多,B1煤的灰渣型为“近玻璃体”类型,G3煤为典型的“玻璃体渣”类型,较为适合在液态排渣气化炉中使用。（2）添加助熔剂和配煤都能有效降低淮南煤灰渣粘度。添加灰基8.7%ADN助熔剂时,可以使HN119煤灰在1380℃时粘度达到20Pa·s,其渣型由“结晶渣”转变为“近玻璃体渣”类型。60%KL1与40%B1煤相配,粘度达到25Pa·s时对应温度比KL1原煤降低250℃,且渣型也由“结晶渣”转变为“近玻璃体渣”类型。（3）三组粘度经验公式被用于预测配煤和添加助熔剂后淮南煤灰的粘温特性,并通过实测值与计算值的对比讨论了经验公式的适用性。4.高温煤灰化学行为和熔融机理研究（1） XRD与FTIR分析结果表明,还原性气氛下,当温度高于1350℃时,淮南煤灰主要含有莫来石和非晶态物质,升温过程中莫来石的形成是淮南煤灰熔融温度高的主要原因。（2）配煤可以有效降低淮南煤的熔融温度,配入低灰熔融温度煤后,高温下莫来石衍射峰强度下降,同时形成钙长石、铁橄榄石和铁尖晶石,它们与石英等矿物之间易发生低温共熔作用,形成低熔点的共晶体使得煤灰熔融温度降低。添加助熔剂ADC、ADF和ADN后,在高温、还原性气氛下,有效破坏了铝硅酸盐的结构,抑制了高温下莫来石的生成,同时钠长石、钙长石、铁橄榄石的含量逐渐增多,与煤灰中石英等矿物在高温下发生反应,形成低熔点的共晶体,从而降低熔融温度。5.利用FactSage热力学软件预测煤灰熔融过程（1） FactSage热力学软件可以预测还原性气氛下高温煤灰行为和煤灰熔融温度。对淮南原煤灰及淮南HN115（FT=1400℃）、HN106煤（FT＞1600℃）添加ADC助熔剂后,进行了液相生成量计算,得出液相生成量为75-80%时,对应的温度与实测煤灰流动温度（FT）接近,可以很好的预测煤灰流动温度。（2）利用FactSage热力学软件计算的高温煤灰矿物的转化过程与XRD分析的结果相一致。FactSage热力学软件结合XRD分析测试技术,可以用于很好的预测矿物之间的反应、以及矿物的转变和熔渣的形成。可以用来定量预测在气化过程熔渣的形成过程。总之,本研究为高灰熔融性淮南煤在煤气化过程中的清洁、高效、合理利用提供了理论基础依据,对于解决煤炭利用过程中与灰有关的各种问题具有理论指导意义。

论文目录

摘要

Abstract

插图或附表清单

第1章绪论

1.1 课题的背景

1.2 课题的提出

参考文献

第2章文献综述

2.1 气流床气化技术发展趋势

2.1.1 Shell（壳牌）气化技术

2.1.2 Texaco（德士古气）化技术

2.2 煤灰熔融性研究进展

2.2.1 煤灰化学组成与煤灰熔融性的关系

2.2.2 煤中矿物组成与灰熔融性的关系

2.2.3 配煤及添加助熔剂改善煤灰熔融性的研究

2.2.4 煤灰熔融特性与相平衡之间的关系

2.3 煤灰熔体结构与煤灰粘温特性研究现状

2.4 FactSage热力学计算软件在煤灰熔融性方面的应用

2.5 安徽省煤炭资源情况和淮南煤的研究现状

参考文献

第3章实验方法与数据分析

3.1 煤样工业分析和元素分析

3.2 煤灰熔融性温度测定

3.2.1 灰熔融性温度测试仪器

3.2.2 灰熔融性温度的测定方法

3.3 灰成分与煤灰熔融温度分析

3.4 CCSEM分析矿物组成

3.5 煤灰熔融机理分析

3.6 煤灰粘度的测定

3.7 FactSage热力学计算软件

参考文献

第4章淮南煤矿物组成特性和粒度分布

4.1 前言

4.2 CCSEM分析样品制备

4.3 CCSEM分析步骤

4.4 CCSEM分析数据处理

4.5 淮南煤样的SEM图象

4.6 淮南煤的矿物组成

4.6.1 淮南煤矿物组成分布

4.6.2 淮南煤矿物组成比较

4.6.3 淮南煤与其他典型煤种矿物组成比较

4.7 淮南煤矿物颗粒分布规律

4.7.1 淮南煤主要矿物组成随粒度累计分布规律

4.7.2 淮南煤主要矿物组成的粒度分布规律

4.8 小结

参考文献

第5章助熔剂对淮南矿区煤灰熔融特性的影响

5.1 前言

5.2 实验部分

5.2.1 助熔剂的选择及添加方案

5.2.2 煤灰熔融性实验

5.3 数学模型的建立

5.4 ADC对煤灰熔融温度的影响

5.4.1 ADC对HN115煤灰熔融温度的影响

5.4.2 ADC对HN119煤灰熔融温度的影响

5.4.3 ADC对KL1煤灰熔融温度的影响

5.4.4 ADC对HN113煤灰熔融温度的影响

5.4.5 ADC对HN106煤灰熔融温度的影响

5.5 ADN对煤灰熔融温度的影响

5.6 ADF对煤灰熔融温度的影响

5.7 助熔剂助熔效果对比分析

5.7.1 同种助熔剂对不同种煤的助熔效果对比

5.7.2 不同助熔剂对同种淮南煤灰熔融温度的助熔效果对比

5.8 助熔剂添加量与淮南煤灰熔融温度关系数学模型

5.8.1 数学模型

5.8.2 方差分析

5.9 小结

参考文献

第6章配煤对淮南煤灰熔融温度的影响

6.1 前言

6.2 实验部分

6.2.1 配煤方案

6.2.2 实验方法

6.3 配煤灰熔融温度数学模型的建立

6.4 配煤对煤灰熔融温度影响分析

6.4.1 配煤对淮南煤灰熔融温度的影响

6.4.2 配煤效果比较

6.5 助熔剂对配煤煤灰熔融性的影响

6.6 配煤灰熔融温度变化及数学模型的建立

6.6.1 以煤配入量为基准,建立配煤流动温度数学模型

6.6.2 以煤灰比为基准,建立配煤流动温度数学模型

6.7 小结

参考文献

第7章配煤及添加助熔剂对淮南煤灰粘温特性的影响

7.1 前言

7.2 实验部分

7.2.1 实验煤样

7.2.2 粘温特性测试

7.2.3 XRD的分析测试

7.3 结果与讨论

7.3.1 单煤的灰渣粘度

7.3.2 配煤对灰渣粘度的影响

7.3.3 添加助熔剂对灰渣粘度的影响

7.4 灰渣粘度预测

7.5 煤灰成分及矿物对灰渣粘度的影响

7.6 小结

参考文献

第8章高温煤灰化学行为和熔融机理研究

8.1 引言

8.2 实验部分

8.2.1 煤样

8.2.2 样品制备

8.2.3 XRD分析

8.2.4 FTIR分析

8.3 淮南煤及煤灰的矿物组成分析

8.3.1 淮南煤的矿物组成分析

8.3.2 淮南煤灰的矿物组成

8.4 高温淮南煤灰的矿物组成变化

8.5 配煤煤灰行为变化机理探讨

8.6 添加助熔剂后煤灰熔融机理探讨

8.6.1 助熔剂的热化学反应机理

8.6.2 添加助熔剂后煤灰矿物组成分析

8.6.3 添加助熔剂后煤灰熔渣（FT温度）中矿物组成变化

8.7 小结

参考文献

第9章利用FactSage热力学软件预测煤灰熔融过程

9.1 前言

9.2 FactSage热力学模型计算的条件

9.3 实验研究和分析

9.3.1 煤样的选择及预处理

9.3.2 高温还原性气氛下XRD分析

9.4 利用FactSage计算和分析

9.4.1 高温煤灰液相生成量计算与分析

9.4.2 利用FactSage软件预测预测煤灰熔融温度

9.5 利用FactSage软件预测高温煤灰矿物组成转化

9.6 小结

参考文献

第10章总结与展望

10.1 总结

10.2 论文的创新点及贡献

10.3 建议与展望

作者简介

致谢

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