1、灰熔融性是煤及生物質(zhì)燃燒和氣化過(guò)程的一項(xiàng)重要性質(zhì)。在流化床燃燒氣化系統(tǒng)中，灰熔融特性對(duì)床料團(tuán)聚、換熱器積灰和管壁結(jié)渣等一系列現(xiàn)象有決定影響，并直接決定著排渣方式的選擇，是影響煤及生物質(zhì)燃燒和氣化過(guò)程的一個(gè)重要因素。為研究灰熔融特性對(duì)加壓流化床燃燒和氣化系統(tǒng)的影響，利用自主研發(fā)的加壓壓差法燒結(jié)溫度測(cè)量裝置、加壓熱天平裝置和灰熔點(diǎn)儀等裝置，結(jié)合熱力學(xué)軟件FactSage、X射線衍射分析儀以及掃描電鏡和能量色散熒光分析儀，對(duì)煤及其與生物質(zhì)混合

2、燃料的灰熔融特性開(kāi)展了系統(tǒng)的分析研究.主要系統(tǒng)考察了加壓燃燒氣化過(guò)程中化學(xué)組分、溫度、氣氛和壓力等因素對(duì)灰熔融特性的影響特性及灰中礦物質(zhì)組分的轉(zhuǎn)變特性，并利用相圖理論，將不同溫度和壓力下的礦物質(zhì)轉(zhuǎn)變直觀地用相圖表示出來(lái)，探討了加壓流化床氣化條件下的灰熔融機(jī)理。主要的研究工作及結(jié)果如下:
　　 (1)利用所建的加壓壓差法燒結(jié)溫度測(cè)量裝置結(jié)合X射線衍射分析儀，研究了反應(yīng)氣氛、壓力及灰組分對(duì)煤灰燒結(jié)溫度的影響特性及其機(jī)理。結(jié)果表明無(wú)論

3、是常壓還是加壓條件，在還原性氣氛下的煤灰燒結(jié)溫度都低于氧化性氣氛下煤灰的燒結(jié)溫度，主要原因是在還原性氣氛下，部分Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+后，易和灰中其他組分如含鈣、鈉等化合物反應(yīng)生成易于發(fā)生低溫共融的礦物質(zhì)，如鐵橄欖石與鐵尖晶石等，導(dǎo)致燒結(jié)溫度降低。壓力對(duì)煤灰的燒結(jié)溫度有較大的影響，壓力的升高抑制硬石膏、鉀云母等助融礦物質(zhì)分解，與微斜長(zhǎng)石、赤鐵礦、鈣長(zhǎng)石等礦物組分共存，發(fā)生低溫共融現(xiàn)象，從而使得燒結(jié)溫度下降。燃燒和氣化氣氛下，在煤灰中添加

4、CaO、Fe2O3和Na2O都會(huì)降低煤灰燒結(jié)溫度，其中CaO和Na2O含量對(duì)煤灰燒結(jié)溫度影響較大。其主要原因是Fe2O3、CaO和Na2O等氧化物將促使一些低溫易熔礦物質(zhì)或易與其他礦物質(zhì)形成低溫共融體的礦物質(zhì)形成，如無(wú)水芒硝、鈣長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石等長(zhǎng)石類礦物質(zhì)，以及鐵尖晶石、鐵橄欖石、鐵堇青石等鐵系礦物質(zhì)（氣化氣氛下）。
　　 同時(shí)，利用壓差法燒結(jié)溫度測(cè)量裝置，對(duì)加壓條件下不同混合比例的煤和生物質(zhì)混合灰進(jìn)行了燒結(jié)特性的研究，同時(shí)還測(cè)量

5、了山西晉城煤與麥稈/松木屑的混合灰樣的燒結(jié)溫度。結(jié)合SEM-EDS及XRD分析方法，分析了燒結(jié)樣品的形貌特征、元素組成及其中的礦物質(zhì)組成。結(jié)果表明:隨著麥稈比例的增加，灰樣的燒結(jié)溫度也呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，且降低幅度較大。隨著麥稈比例的添加，灰樣呈現(xiàn)明顯團(tuán)聚和燒結(jié)現(xiàn)象，且灰樣中K、Cl的含量顯著增加，而麥稈灰中還有較高含量的堿金屬，會(huì)生成較多的含鉀、鈉的低熔點(diǎn)的礦物質(zhì)，這是導(dǎo)致燒結(jié)溫度降低的主要原因。而在摻混同樣的生物質(zhì)比例時(shí)，摻混麥稈的混合灰

6、樣的燒結(jié)溫度低于摻混木屑的灰樣的燒結(jié)溫度，這是因?yàn)辂湺捇抑泻休^多的K和Cl，而木屑灰中含有較多的Ca。EDS和XRD分析表明添加麥稈的灰樣中含有較多的含鉀礦物，而添加木屑的灰樣中含有較多的含鉀和鈣的礦物質(zhì)，含鉀、鈣的礦物質(zhì)都能與煤中其他礦物質(zhì)發(fā)生低溫共融現(xiàn)象，從而降低混合灰樣的燒結(jié)溫度。但是含鈣的礦物的熔點(diǎn)較高，因此添加麥稈的灰樣的燒結(jié)溫度低于添加木屑的灰樣的燒結(jié)溫度。隨著壓力升高，燃燒氣氛和氣化氣氛下添加不同生物質(zhì)比例的灰樣的燒結(jié)溫

7、度呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。壓力升高導(dǎo)致灰樣更加致密，這說(shuō)明壓力升高導(dǎo)致更多的助融礦物發(fā)生熔融，從而使得熔融聚團(tuán)現(xiàn)象更加嚴(yán)重。壓力升高，促使添加了生物質(zhì)的混合灰樣中透輝石、鈣黃長(zhǎng)石向含鐵礦物質(zhì)斜暉石的轉(zhuǎn)變，長(zhǎng)石類礦物質(zhì)鈣長(zhǎng)石的生成。而長(zhǎng)石類礦物質(zhì)和含鐵礦物質(zhì)及易與其他礦物質(zhì)發(fā)生低溫共熔現(xiàn)象，促使燒結(jié)溫度降低。
　　 最后，為研究成灰過(guò)程的影響，選用山西晉城煤和澳大利亞的麥稈和松木屑為原料，采用高溫直管式爐、中溫馬弗爐、低溫氧等離子體灰化

8、儀三種不同的灰化方法制備灰樣。利用壓差法燒結(jié)溫度測(cè)量裝置測(cè)量了混合灰樣的燒結(jié)溫度，并采用SEM-EDS和XRD分析儀分析了混合灰樣的形貌特征及礦物轉(zhuǎn)變特性。研究結(jié)果表明:同樣的煤和生物質(zhì)的混合比例下，直管式爐中混合灰樣的燒結(jié)溫度最高，低溫等離子體灰化儀中混合灰樣的燒結(jié)溫度最低。SEM分析表明來(lái)自低溫等離子體灰化儀中的灰樣顆粒比較疏松且含有更多的纖維結(jié)構(gòu);而馬弗爐和直管式爐中的灰樣表面結(jié)構(gòu)比較致密，并成規(guī)則的形狀。此外，來(lái)自直管式爐的灰樣

9、中出現(xiàn)較多球狀顆粒，表明在灰樣過(guò)程中發(fā)生了熔融現(xiàn)象。XRD分析表明不同溫度下的灰樣制備方式呈現(xiàn)不同的礦物質(zhì)，低溫等離子體灰化儀中出現(xiàn)較低溫度的礦物質(zhì)如鉀芒硝等，馬弗爐中出現(xiàn)KCl和鉀云母等助融礦物質(zhì)，而直管式爐中出現(xiàn)如鈣長(zhǎng)石、莫來(lái)石等較高溫度的礦物質(zhì)。
　　 (2)利用加壓熱天平結(jié)合XRD分析儀及SEM-EDS分析儀，開(kāi)展了加壓流化床燃燒氣化條件下壓力、氣氛、溫度和灰成分影響煤灰礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)變過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明不同反應(yīng)氣

10、氛下壓力對(duì)煤灰中礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過(guò)程具有明顯不同的影響。在氣化氣氛下，壓力的升高促使隕硫鈣石向硬石膏的轉(zhuǎn)變，抑制鉀云母、硬石膏等助融礦物質(zhì)分解，促使長(zhǎng)石類礦物質(zhì)透長(zhǎng)石生成和鐵系礦物質(zhì)赤鐵礦熔融;而在惰性氣氛和燃燒氣氛下，壓力的變化促使鉀云母向莫來(lái)石轉(zhuǎn)變，而微斜長(zhǎng)石向鈉長(zhǎng)石轉(zhuǎn)變，而對(duì)其他礦物質(zhì)影響不大.隨著溫度逐漸升高，在氣化氣氛下，生成鈣長(zhǎng)石相及鐵尖晶石等礦物相，而他們會(huì)與其他礦物質(zhì)發(fā)生低溫共熔現(xiàn)象，從而降低灰熔融溫度;在燃燒氣氛下，隨著溫

11、度升高，生成透長(zhǎng)石等長(zhǎng)石類礦物質(zhì)和莫來(lái)石等高熔點(diǎn)礦物質(zhì)，升高灰熔融溫度。隨著Fe2O3含量增加，燃燒氣氛下煤灰中生成了磁鐵礦、硬石膏、鉀云母以及微斜長(zhǎng)石等助融礦物質(zhì);氣化氣氛下生成了鐵尖晶石、鈉長(zhǎng)石等易與其他礦物發(fā)生低溫共融的礦物質(zhì).而隨著CaO的增加，燃燒氣氛下生成鉀云母、硬石膏等助融礦物質(zhì)及方解石和鈣黃長(zhǎng)石等易與發(fā)生低溫共融的礦物質(zhì);在氣化氣氛下除了鉀云母、鈣黃長(zhǎng)石和方解石外，還生成了鈣長(zhǎng)石等易形成低溫共融體的礦物質(zhì)，隨著Na2O含

12、量的增加，燃燒氣氛下出現(xiàn)鉀云母、硬石膏和赤鐵礦和霞石等助融礦物質(zhì);在氣化氣氛下發(fā)生了鐵尖晶石的熔融，并出現(xiàn)了霞石等助融礦物質(zhì)及鈣黃長(zhǎng)石等易發(fā)生低溫共融的礦物質(zhì)。
　　 (3)利用灰熔點(diǎn)儀，測(cè)定了不同氣氛下、不同灰成分下的灰熔融溫度，并結(jié)合FactSage軟件模擬計(jì)算結(jié)果分析了氣氛和灰組分對(duì)灰熔融溫度的影響特性，結(jié)果表明:隨著Fe2O3、CaO及Na2O的增加，在燃燒和氣化氣氛下變形溫度、軟化溫度、半球溫度和流動(dòng)溫度等特征溫度都呈

13、現(xiàn)降低趨勢(shì);隨著Fe2O3、CaO及Na2O這三種氧化物含量的增加，煤灰中的礦物質(zhì)在不同氣氛下發(fā)生相交反應(yīng)并伴隨新的礦物質(zhì)的生成。隨著Fe2O3含量的增加，煤灰中出現(xiàn)鐵系礦物質(zhì)，如磁鐵礦、鐵尖晶石和鐵橄欖石等;隨著CaO的增加，出現(xiàn)含鈣的長(zhǎng)石類礦物質(zhì)鈣黃長(zhǎng)石等;隨著Na2O含量的增加，促進(jìn)三斜霞石等含鈉的長(zhǎng)石類礦物質(zhì)等的生成。所生成的鐵系礦物質(zhì)、含鈣及鈉的長(zhǎng)石類礦物質(zhì)中，有一些是本身熔點(diǎn)較低，有一些是易與其他礦物質(zhì)形成低溫共融體，這些礦

14、物質(zhì)的存在是煤灰熔融溫度降低的根本原因。
　　 (4)在實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，利用相圖理論將不同溫度、壓力段下的礦物成分分布整理成相圖，直觀地呈現(xiàn)出不同溫度帶和不同壓力下的礦物質(zhì)，并利用三元相圖理論分析了晉城煤灰的灰熔融特性。結(jié)果表明溫度對(duì)礦物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程影響較大，而壓力對(duì)礦物轉(zhuǎn)變影響相對(duì)較小。同時(shí)溫度和壓力的影響也與反應(yīng)氣氛有關(guān)。燃燒氣氛下礦物物相種類變化較少，即燃燒氣氛下礦物物相間發(fā)生的反應(yīng)較少，而氣化氣氛下礦物種類變化較多，其發(fā)生

15、物相轉(zhuǎn)變較多。隨著溫度升高，在還原性氣氛下促進(jìn)Fe2+生成，煤灰中的含F(xiàn)e2+的礦物質(zhì)，通過(guò)與SiO2、Al2O3等化合物反應(yīng)生成鐵尖晶石等鐵系礦物質(zhì)相，在氧化氣氛下硅鋁酸鹽則通過(guò)與堿金屬化合物和堿土金屬化合物反應(yīng)生成長(zhǎng)石類礦物質(zhì)相，如鈣長(zhǎng)石，斜長(zhǎng)石等。一般來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)石類及鐵系礦物質(zhì)都會(huì)與其他礦物質(zhì)如Na2O·2SiO2、K2O·4SiO2等發(fā)生低溫共融現(xiàn)象，生成低溫共融體如Na2O·2SiO2+ SiO2+Na2O·3CaO·6SiO2