煤灰熔融温度还原气氛 毕业论文.doc
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1、煤灰熔融温度还原气氛摘要煤炭作为21世纪最重要的化石能源,对其性质的探讨受到越来越多的关注。煤灰熔融性的测定对工业火电厂和气化炉的造气生产具有重要意义。本实验用SDAF2000b煤灰熔融性测定仪分别测定多种煤样在氧化性气氛和弱还原性气氛下的灰熔点。它能对工业用煤排渣气氛的控制、煤灰渣型的预测等等提供初步材料。结果表明,气氛对煤灰熔融性的影响还是显而易见的。因为煤灰中铁元素的状态不同,弱还原性气氛下的煤灰熔融点比氧化气氛下的熔融点低约10130左右。由于实验条件的限制,没有进一步分析煤质矿物成分与灰熔点的关系。关键词:煤灰,熔融温度,还原气氛AbstractThe 21st centurys m
2、ost important fossil energy is coal,the study of the coal is attracting more and more attention. Determination of industrial coal ash melting is important for industrial power plants and gasifier gasification production.This expriment is under SDAF2000b coal ash melting tester,respectively a variety
3、 of coal samples under oxidizing atmosphere and weak reducing atmosphere of ash melting point.It can provide some advice of industrial coal atmosphere and coal type ash materials.Results show that the atmosphere of the impact of coal ash melting is obvious.Because the ash iron status is different, t
4、he weak reducing atmosphere of coal ash melting point lower than the melting point under oxidizing atmosphere about 10 130 . Due to the limitation of experimental conditions, no further analysis with ash melting point coal mineral composition relationship.Key word:coal ash,fusion temperature, reduct
5、ive atmosphere;第一章 绪论1.1 国内外研究现状综述现今测煤灰熔融性的方法主要有直接测定法和间接测定法两种,直接测定煤灰熔融性的方法又分为灰锥法和热显微镜法。煤灰熔融性温度测试一般有三种气氛:弱还原性气氛,强还原性气氛和氧化性气氛,常用的气氛是弱还原性气氛。煤灰的熔融性温度受气氛的影响最为显著,特别是含铁量大的煤灰更为明显。主要是由于煤灰中铁在不同性质气氛中有不同形态,并进一步产生低熔融性的共熔体所致。我国煤储量丰富,据煤炭资源普查结果显示,我国低灰熔点煤占煤炭总量的1/3左右,燃用这类低灰熔点的煤易造成电站锅炉严重的结渣、腐蚀等问题。而像淮南煤那样的高灰熔点的煤(1 600左
6、右)也占很大的一部分比例,不适合液态排渣工艺温度要求(1380左右)。为了更合理、经济地利用我国的煤炭资源研究如何改变煤的灰熔融性已迫在眉睫。国内外许多学者提出了一些可以改变煤灰熔融温度的方法.对于煤灰熔融性的影响因素主要有五个;一:测试气氛性质的影响,在弱还原性气氛下,测定DT、ST、FT均小于氧化性气氛下的测定值,且随煤灰化学成分不同,二种气氛之间的特征温度差值也不同,大约在lO130。当煤灰中Fe2O3,含量较高时,会降低灰熔融性温度,且在弱还原性气氛下更为明显。在强还原气氛下,煤灰在熔融过程中的氧元素被大量还原所剩绝大部分是金属或非金属单质其单质的熔融温度要高出其氧化物许多,这些在强还
7、原气氛下被还原出来的金属单质导致了煤灰熔融性温度的升高。因此强还原气氛下的煤灰熔融性温度均比氧化气氛下高。差值在50200。在煤灰熔融性温度测定时,通常采用弱还原性气氛,这是由于在工业窑炉的燃烧或气化室中,一般都形成如CO、H2、CH4、CO2、O2为主要成分的弱还原性气氛。二:煤灰成分的影响,煤灰熔融特性与化学组成的关系。化学分析结果表明,煤灰由Si02、A1203、Fe203、CaO、MgO、Na20、K20、TiO2:和SO3,等组分构成。按照氧化物含量多少划分多数煤灰属于硅铝铁钙型,即煤灰的主要成分为Si02、A1203、Fe203、CaO。Si02、A1203和Ti02属于酸性组分,
8、其含量越多,煤灰的熔融温度就越高;Fe203、CaO、MgO、Na2O、K2O属于碱性组分,其含量越多,煤灰的熔融温度就越低。研究表明在酸性氧化物中,A1203,和TiO2:在煤灰中始终起提高熔融温度的作用,而SiO2:的含量与煤灰熔融温度似乎无明显关系;碱性氧化物中的CaO和Fe20,由于含量高。对煤灰熔融性的影响较之其它几种组分更为显著。CaO对煤灰有助熔作用,但与CaO本身含量和SiO2/Al203比有关。Fe203的助熔效果与煤灰所处的气氛性质有关。在弱还原气氛中,Fe203,以FeO的形态存在,与其它价态的铁相比,FeO具有较强的助熔效果。如果煤灰中的CaO、碱金属氧化物等助熔组分含
9、量较高,且硅铝比较高,在Fe203,含量较低时,就能使煤灰熔融温度很低;对于硅铝比较低,且CaO、碱金属氧化物等助熔组分含量也较低的煤灰,在Fe203,含量较高时,才能使其熔融温度最低。煤灰熔融性与相平衡性质的关系。在理论上,由相平衡关系可以得到煤灰成为液体时的最低温度(液化温度)、煤灰成为固体时的最高温度(固化温度),以及在中问温度时固相和液相的组成。利用相图能够预测氧化气氛下各种矿物或添加剂对煤灰熔融性的影响,通常,煤灰中A1203含量越高,SiO2/Al2O3,比越低(即高岭石含量越高),煤灰熔融温度就越高。在煤灰中添加碱性矿物如方解石、白云石、黄铁矿或菱铁矿会使熔融温度降低,但是如果煤
10、灰中某一成分(如方解石)特别高,结果可能会产生例外的情况。相态变化预测煤灰的熔融行为。煤灰是由各种矿物质组成的混合物,在高温下熔融过程较复杂。在加热过程中,煤灰中除各种矿物组分熔融外,矿物组分之间会发生反应生成新的无机成分:各矿物组分之间还会发生低温共熔现象,从而影响煤灰的熔融特性。煤灰中各种矿物质对X一射线的吸收或反射量是不同的,它不仅与矿物质含量有关,而且与矿物质本身结晶性好坏、混合物中其它矿物的存在有关,但对同种矿物质其衍射强度的变化可近似反映含量的变化。三,停留时间对灰熔融性的影响,停留时问对灰熔融特性的影响是显著的,例如神府灰样在5分钟停留时间下的FT与始终处于H2气氛下的FT相差近
11、300:大部分灰样在15分钟停留时间下的FT均比5分钟下有所上升,但也有例外,FT出现下降;大部分灰样在15分钟后的FT温度低于始终处于H2气氛下的FT。说明灰渣在强还原气氛下的变化行为是一个渐进的过程,长时间处于H2气氛下被还原的程度更深:对于Fe2O3,含量较高的灰样,在短的停留时间内影响十分显著,而对于Fe2O3,含量较低的灰样,停留时间的影响不明显。四,强还原气氛下助熔剂对灰熔融特性的影响,实验结果对于煤样的普适性还有待研究。在强还原气氛下,氧化钙对淮北刘二矿灰样仍然能起到较好的助熔作用,当添加量在30-40的范围内时,灰熔融温度Fr可以降低到13250C左右,降幅达160左右;而当添
12、加量超过40后,熔融温度又呈上升趋势。由于氧化钙添加量较大,应考虑到经济性因素。而在强还原气氛下,氧化铁几乎没有助熔作用,当添加量达到30时,灰熔融温度将大幅上升,FT将超过1500。可能是氧化铁中的铁元素被还原成为更低价态的铁甚至铁单质,则使得灰熔融温度上升。由于本实验只是针对淮北刘二矿灰样,所以结论对我国煤种的普适性还有待于迸一步探讨。五,强还原气氛下混煤对灰熔融特性的影响在氧化气氛,当按照30乌兰商业和70宁夏灵武来配比时,灰熔融温度有一个最低点,FT约为1290。C,相比宁夏灵武灰样的FT降低大约300。C,相比鸟兰商业灰样的FT降低210以上。在强还原气氛H2下,当两种灰样的配比以乌
13、兰商业计为2030的范嗣内时,灰熔点下降到最低点,FT最低约为1310。相比宁复灵武灰样在该气氛下的FT降低约125相比乌兰商业灰样降低1900C以上。混煤后的灰熔融温度低于两种原灰样熔融温度的情况不同于以往混煤中呈单调下降,趋于较低熔点的趋势,推测原因主要因为在混煤的配比恰好为某一比例时两种灰样巾的矿物组分在高温下形成了某种低温共熔物,导致熔融温度大幅下降。下面但就气氛的影响来展开研究。气氛对煤灰熔融性的影响在国内外文献中多有述及,试验气氛是影响煤灰熔融性的主要因素,由于煤中的铁在不同气氛下状态不同,弱还原性气氛下的FeO熔点最低,且易与煤灰中的SiO2 形成低共熔体。所以煤灰在弱还原性气氛
14、中熔融温度最低,在工业锅炉的燃烧或气化室中一般都形成由CO,H2,CH4,CO2,和O2为主要成分的弱还原性气氛。所以在弱还原性气氛中测得的数据更有意义,常作为煤的灰熔点。已往数据表明,当灰中Fe0,含量达到15 以上时,氧化性气氛下的软化温度和流动温度比弱还原性气氛下的温度高100300。工业锅炉的燃烧或气化室一般都是弱还原性气氛。1.2研究目的:煤炭作为三大化石能源之一,在中国重工业发展中起了重要的作用,随着中国现代化步伐的加快,作为主要能源的煤炭,发挥了越来越重要的作用。伴随着人口不断增长和城镇化进程的加速,生活能源消费总量和品种发生了重大变化,研究表明,由于经济总量的增长,产业结构发生
15、了较大变化,煤炭消费强度下降。目前化工行业的煤炭消费主要集中在化肥生产和快速发展的煤化工产业。化肥生产主要是以煤炭为原料生产合成氨,煤化工产业中煤炭转化(煤炭气化、液化,煤制油和煤制甲醇、烯烃等)是我国能源和煤炭清洁利用发展的主攻方向。预计到2020年,国内煤炭需求量为269041万吨。我国煤炭资源分布集中在三西,即山西、陕西及内蒙西部。目前有63%的煤炭要从三西调出,我国长期存在北煤南运、西煤东调的格局。煤炭的管道运输投资少、建设周期短、营运费低、为全密闭输送,不污染环境。水煤浆经管道输送到终端即可供用户燃用,而且可长期密闭储存。在煤化工行业中,灰熔融性是影响煤的燃烧和气化的重要因素,工业上
16、对煤灰熔融性的要求各有不同,如固态排渣锅炉和固定床气化炉中一般使用高灰熔融性煤,液态排渣的锅炉和气化炉使用低灰熔融性煤,以免排渣困难。因此为了正确选择气化用煤和锅炉用煤,须进行煤灰熔融性的测定。常用的测定方法,是将煤灰与糊精混合,颦成灰锥,在高温炉弱还原气体介质中加热,分别测定灰熔融性变形温度Td、软化温度Ts、半球温度Th和流动温度TF。一般用Ts()作为煤灰熔融性的主要指标:小于或等于1100为易熔灰分,大于11001250为低熔灰分,大于12501500为高熔灰分,大于1500为难熔灰分。煤化工行业中气化用料煤的灰熔点是所有气化煤的一个重要指标,这一特点对焦渣的形成具有重要影响,因此在流
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