高钙煤燃烧成灰特性分析

高钙煤燃烧成灰特性分析

1煤灰在湿法脱硫中的应用中国超过90%的硫酸盐来自燃煤，导致严重污染。我国常见的186种动力用煤中,低硫煤(St,d<1%)占57.0%,而低硫煤中又有51.8%的煤Ca/S摩尔比>1。理论上,燃用这类低硫高钙煤种的电厂,其煤灰有一定的自身脱硫作用;为了有更高的脱硫效率可以通过尾部增湿增大煤灰活性实现脱硫;也可用半干法把以前生成的煤灰用做脱硫剂来脱硫;还可将高钙煤灰作为湿法脱硫中的脱硫剂使用。与利用石灰石脱硫相比,利用电厂自身产生的煤灰脱硫具有脱硫剂廉价易得、无需运输、以废制废等优点。徐通模等早在1994年就对燃煤中自身CaO的脱硫进行了研究,实验证明神府-东胜煤的自身脱硫效率为24.37%～33.86%。宋玉宝,周月桂等提出了高钙煤灰增湿活化脱硫工艺。其工艺是:在烟道内喷雾化水,利用液滴的捕捉作用,增湿烟气所携带的煤灰颗粒,生成能够在低温下与烟气中SO2反应的Ca(OH)2浆滴,在烟道内进行烟气脱硫,脱硫效果为40%～50%,能够达到燃用神木煤的锅炉环保标准。赵毅等用消石灰和粉煤灰配比制成脱硫剂,采用干法管道喷射,脱硫率达到了84%,脱氮率也达到了40%,实现了同时脱硫脱氮。刘尧祥在一维炉上对煤灰的脱硫效果进行了全面研究,研究结果表明:干法脱硫、炉内喷灰尾部增湿脱硫和灰浆喷淋湿法烟气脱硫,其脱硫效率分别为16%～27%、32%～53%和53%～78%。张璞组织了煤灰作为湿法脱硫中脱硫剂的实验研究,主要测试了神木电厂、大柳塔电厂、户县电厂、蒲城电厂的含钙煤灰在湿法脱硫中的消溶特性,研究结果表明:含钙煤灰在酸中的反应速度大于礼泉石灰石在酸中的反应速度,具有良好的活性,煤灰用做湿法脱硫中的脱硫剂也有良好的应用前景。以上研究可以看出,无论哪种脱硫方式,高钙煤灰都是一种潜在的、可行的、拥有相当工业前景的脱硫剂。纵观煤灰用于脱硫的现状,多数研究集中于各类脱硫方法中脱硫效果的宏观研究。而对于作为脱硫剂的煤灰本身,却没有引起足够的重视,对煤的成灰特性研究较少。因此,对不同条件下脱硫效果的差异,无法给出满意的解释,也无法根据煤灰的最佳脱硫工况来组织合理的减排工艺。鉴于此,本文在一维实验台上组织了高钙煤的成灰实验,研究在不同温度、不同气氛条件下所得灰粒的特性。2实验部分2.1分析分别说明实验煤种来自神木锦界电厂,其煤质分析和煤灰成分分析分别见表1、表2。由表2可见,此种煤灰中氧化钙的质量分数达到12.03%,其中活性氧化钙的质量分数也达到了4%,有应用于脱硫的良好使用前景。2.2降低烟气在水平管式炉内放置一个外径50mm,内径40mm的刚玉管作为反应器。每次实验准确称取2.0g煤粉,平铺在6×3cm的瓷方舟内。再将管式炉加热至设定温度,向反应器内通入所需气氛,待其中的残留空气完全排出后,再将煤样缓慢送入到反应器中心处。煤样完全燃烧后,关掉电炉,持续通入所需气氛。直至炉温降到800℃时,从炉内取出反应器在空气中冷却。当炉温进一步下降到200℃时,关掉通入气氛,取出瓷方舟,收集煤灰并保持干燥。取出少量煤灰喷在载玻片上,在XSP型电子显微镜下分别放大100倍和400倍进行观测。实验中,选取1000℃和1100℃两个温度水平,每个温度水平下的氧气含量分别为5%、10%、15%、21%,平衡气为氮气。研究不同温度、不同气氛条件下所得灰粒的尺寸和孔隙结构。3温度设定实验结果将实验样本喷在载玻片上,将其在电子显微镜下放大观测并拍摄照片。在1000℃的温度条件下实验所得煤灰均未结焦;在1100℃的温度条件下实验所得煤灰有少部分结焦现象。3.1燃烧煤灰的平均粒径将制备好的实验样本在电子显微镜下放大100倍进行观测并拍摄照片。选取所拍摄照片的1/8范围,并测量该范围内所有灰粒的粒径,如图1所示。按下式计算出灰粒的平均粒径。式中,d为平均粒径;di为每个颗粒直径;n为颗粒总数。实验结果表明,在1000℃和1100℃条件下,均随着燃烧气氛中氧气质量浓度的增加,煤粉燃烧后所得煤灰颗粒的尺寸逐渐减小。这是因为当燃烧气氛中的氧气质量浓度增加时,煤粉和氧气间的扩散速度增大,可以提高固体表面的质量交换系数,从而使煤粉和氧气反应的速率加快,氧化反应的程度逐渐加剧,因而能有更多的氧气分子渗入到碳粒的毛细孔隙内部,使得碳粒在燃烧过程中爆裂的可能性增大,所以会导致煤灰颗粒的尺寸减小。3.2煤灰颗粒尺寸的影响由图2可得,在相同燃烧气氛条件下,在1100℃下燃烧所得的煤灰颗粒尺寸均小于相应的在1000℃下燃烧所得的煤灰颗粒的尺寸。因为随着实验温度的升高,煤中挥发分析出的速度会逐渐加快,氧化反应的程度加剧,使得局部温度提高,导致煤灰中的结晶体和玻璃体熔化,使煤灰颗粒的尺寸变小。并且在温度高时,碳粒在燃烧过程中爆裂的机会大大增加,也会导致煤灰颗粒的尺寸减小。3.3氧指数和氧传质浓度对煤灰孔隙结构的影响将制备好的实验样本在电子显微镜下放大400倍进行观察并拍摄照片。实验结果表明,在1000℃和1100℃条件下,均随着燃烧气氛中氧气质量浓度的增加,煤粉燃烧后所得煤灰颗粒的孔隙结构逐渐变的疏松。当燃烧气氛中的氧气质量浓度增加时,煤粉和氧气间的扩散速度增大,从而进入焦炭内部的氧气量也会逐渐增加,会有更多的氧气与毛细孔内的碳粒反应,从而使得留在焦炭上的孔隙结构增多,比表面积增加,这样会使氧气更容易进入焦炭内部燃烧,导致煤灰中的含碳量减少,所以煤灰的孔隙结构会变得疏松。3.4燃烧煤灰颗粒的孔隙结构煤粉在1100℃下燃烧会有部分结焦现象。对比图3和图4,可以发现1100℃下燃烧所得的煤灰颗粒的孔隙结构更加致密一些。因为随着实验温度的升高,部分煤粉颗粒成熔化流动状态,可以流动进入相互的焦炭毛细孔内,使得这些熔化的煤粉颗粒会相互粘结在一起,减缓氧化反应的进一步进行,导致煤灰颗粒的孔隙结构变得致密。4燃烧高钙煤的实验结果随着燃烧气氛中氧气质量浓度的增加,煤粉燃烧后所得煤灰颗粒的尺寸逐渐减小,而且煤灰颗粒的孔隙结构逐渐疏松。随着燃烧温度的升高,所得煤灰颗粒的尺寸减小,孔隙结构变得致密。颗粒尺寸小、孔