高鈣煤燃燒成灰特性分析

1煤灰在濕法脫硫中的應用中國超過90%的硫酸鹽來自燃煤，導致嚴重污染。我國常見的186種動力用煤中,低硫煤(St,d<1%)占57.0%,而低硫煤中又有51.8%的煤Ca/S摩爾比>1。理論上,燃用這類低硫高鈣煤種的電廠,其煤灰有一定的自身脫硫作用;為了有更高的脫硫效率可以通過尾部增濕增大煤灰活性實現脫硫;也可用半干法把以前生成的煤灰用做脫硫劑來脫硫;還可將高鈣煤灰作為濕法脫硫中的脫硫劑使用。與利用石灰石脫硫相比,利用電廠自身產生的煤灰脫硫具有脫硫劑廉價易得、無需運輸、以廢制廢等優點。徐通模等早在1994年就對燃煤中自身CaO的脫硫進行了研究,實驗證明神府-東勝煤的自身脫硫效率為24.37%～33.86%。宋玉寶,周月桂等提出了高鈣煤灰增濕活化脫硫工藝。其工藝是:在煙道內噴霧化水,利用液滴的捕捉作用,增濕煙氣所攜帶的煤灰顆粒,生成能夠在低溫下與煙氣中SO2反應的Ca(OH)2漿滴,在煙道內進行煙氣脫硫,脫硫效果為40%～50%,能夠達到燃用神木煤的鍋爐環保標準。趙毅等用消石灰和粉煤灰配比制成脫硫劑,采用干法管道噴射,脫硫率達到了84%,脫氮率也達到了40%,實現了同時脫硫脫氮。劉堯祥在一維爐上對煤灰的脫硫效果進行了全面研究,研究結果表明:干法脫硫、爐內噴灰尾部增濕脫硫和灰漿噴淋濕法煙氣脫硫,其脫硫效率分別為16%～27%、32%～53%和53%～78%。張璞組織了煤灰作為濕法脫硫中脫硫劑的實驗研究,主要測試了神木電廠、大柳塔電廠、戶縣電廠、蒲城電廠的含鈣煤灰在濕法脫硫中的消溶特性,研究結果表明:含鈣煤灰在酸中的反應速度大于禮泉石灰石在酸中的反應速度,具有良好的活性,煤灰用做濕法脫硫中的脫硫劑也有良好的應用前景。以上研究可以看出,無論哪種脫硫方式,高鈣煤灰都是一種潛在的、可行的、擁有相當工業前景的脫硫劑。縱觀煤灰用于脫硫的現狀,多數研究集中于各類脫硫方法中脫硫效果的宏觀研究。而對于作為脫硫劑的煤灰本身,卻沒有引起足夠的重視,對煤的成灰特性研究較少。因此,對不同條件下脫硫效果的差異,無法給出滿意的解釋,也無法根據煤灰的最佳脫硫工況來組織合理的減排工藝。鑒于此,本文在一維實驗臺上組織了高鈣煤的成灰實驗,研究在不同溫度、不同氣氛條件下所得灰粒的特性。2實驗部分2.1分析分別說明實驗煤種來自神木錦界電廠,其煤質分析和煤灰成分分析分別見表1、表2。由表2可見,此種煤灰中氧化鈣的質量分數達到12.03%,其中活性氧化鈣的質量分數也達到了4%,有應用于脫硫的良好使用前景。2.2降低煙氣在水平管式爐內放置一個外徑50mm,內徑40mm的剛玉管作為反應器。每次實驗準確稱取2.0g煤粉,平鋪在6×3cm的瓷方舟內。再將管式爐加熱至設定溫度,向反應器內通入所需氣氛,待其中的殘留空氣完全排出后,再將煤樣緩慢送入到反應器中心處。煤樣完全燃燒后,關掉電爐,持續通入所需氣氛。直至爐溫降到800℃時,從爐內取出反應器在空氣中冷卻。當爐溫進一步下降到200℃時,關掉通入氣氛,取出瓷方舟,收集煤灰并保持干燥。取出少量煤灰噴在載玻片上,在XSP型電子顯微鏡下分別放大100倍和400倍進行觀測。實驗中,選取1000℃和1100℃兩個溫度水平,每個溫度水平下的氧氣含量分別為5%、10%、15%、21%,平衡氣為氮氣。研究不同溫度、不同氣氛條件下所得灰粒的尺寸和孔隙結構。3溫度設定實驗結果將實驗樣本噴在載玻片上,將其在電子顯微鏡下放大觀測并拍攝照片。在1000℃的溫度條件下實驗所得煤灰均未結焦;在1100℃的溫度條件下實驗所得煤灰有少部分結焦現象。3.1燃燒煤灰的平均粒徑將制備好的實驗樣本在電子顯微鏡下放大100倍進行觀測并拍攝照片。選取所拍攝照片的1/8范圍,并測量該范圍內所有灰粒的粒徑,如圖1所示。按下式計算出灰粒的平均粒徑。式中,d為平均粒徑;di為每個顆粒直徑;n為顆粒總數。實驗結果表明,在1000℃和1100℃條件下,均隨著燃燒氣氛中氧氣質量濃度的增加,煤粉燃燒后所得煤灰顆粒的尺寸逐漸減小。這是因為當燃燒氣氛中的氧氣質量濃度增加時,煤粉和氧氣間的擴散速度增大,可以提高固體表面的質量交換系數,從而使煤粉和氧氣反應的速率加快,氧化反應的程度逐漸加劇,因而能有更多的氧氣分子滲入到碳粒的毛細孔隙內部,使得碳粒在燃燒過程中爆裂的可能性增大,所以會導致煤灰顆粒的尺寸減小。3.2煤灰顆粒尺寸的影響由圖2可得,在相同燃燒氣氛條件下,在1100℃下燃燒所得的煤灰顆粒尺寸均小于相應的在1000℃下燃燒所得的煤灰顆粒的尺寸。因為隨著實驗溫度的升高,煤中揮發分析出的速度會逐漸加快,氧化反應的程度加劇,使得局部溫度提高,導致煤灰中的結晶體和玻璃體熔化,使煤灰顆粒的尺寸變小。并且在溫度高時,碳粒在燃燒過程中爆裂的機會大大增加,也會導致煤灰顆粒的尺寸減小。3.3氧指數和氧傳質濃度對煤灰孔隙結構的影響將制備好的實驗樣本在電子顯微鏡下放大400倍進行觀察并拍攝照片。實驗結果表明,在1000℃和1100℃條件下,均隨著燃燒氣氛中氧氣質量濃度的增加,煤粉燃燒后所得煤灰顆粒的孔隙結構逐漸變的疏松。當燃燒氣氛中的氧氣質量濃度增加時,煤粉和氧氣間的擴散速度增大,從而進入焦炭內部的氧氣量也會逐漸增加,會有更多的氧氣與毛細孔內的碳粒反應,從而使得留在焦炭上的孔隙結構增多,比表面積增加,這樣會使氧氣更容易進入焦炭內部燃燒,導致煤灰中的含碳量減少,所以煤灰的孔隙結構會變得疏松。3.4燃燒煤灰顆粒的孔隙結構煤粉在1100℃下燃燒會有部分結焦現象。對比圖3和圖4,可以發現1100℃下燃燒所得的煤灰顆粒的孔隙結構更加致密一些。因為隨著實驗溫度的升高,部分煤粉顆粒成熔化流動狀態,可以流動進入相互的焦炭毛細孔內,使得這些熔化的煤粉顆粒會相互粘結在一起,減緩氧化反應的進一步進行,導致煤灰顆粒的孔隙結構變得致密。4燃燒高鈣煤的實驗結果隨著燃燒氣氛中氧氣質量濃度的增加,煤粉燃燒后所得煤灰顆粒的尺寸逐漸減小,而且煤灰顆粒的孔隙結構逐漸疏松。隨著燃燒溫度的升高,所得煤灰顆粒的尺寸減小,孔隙結構變得致密。顆粒尺寸小、孔