基于煤中矿物质定量热分析的新型灰沉积判别指数研究

矿物质是煤的重要组成，其在燃烧过程中的迁移转化行为对锅炉的安全经济运行及环境造成了严重的危害。项目针对目前困扰大多数燃煤锅炉的灰沉积问题，拟提出一种基于煤中矿物质定量热分析（MQTA）的研究方法，引入矿物质晶格参数等概念，改变传统的基于均匀化学成分分布的研究方式，通过对灰沉积起源、灰熔融动态过程、灰沉积产物特性三个不同的对象进行深入研究，试图建立矿物质组合蒸发动力学模型；发展表征矿物质组合熔融热行为的热量变化实时曲线；揭示矿物质晶格参数对灰熔融特性和粘性的影响机制；将矿物学和材料晶体学等多学科理论交叉融入到经典燃烧学中，建立准确度显著提高的基于矿物质定量和热分析的新型灰沉积预判指数，以期为准确预测和防治锅炉灰沉积、结渣提供可靠的理论依据。

本项目针对电站锅炉灰沉积机理的传统难题，提出了一种耦合矿物学和燃烧学的新方法。利用化学热力学和动力学原理，建立了典型矿物质SiO2的蒸发动力学模型，定量揭示了矿物质SiO2的蒸发行为，分析了赋存形态、反应工况、气氛对SiO2蒸发的影响。利用反应热焓变化理论，耦合矿物质晶格演变等概念，建立了基于煤中矿物质定量熔融热分析（MQTA）的研究方法，利用MQTA方法对多种典型煤样灰熔融过程进行了详细分析，计算了灰样熔融反应动力学参数，揭示了矿物组合熔融加剧的机理，相关成果发表在Chinese Science Bulletin上。利用MQTA方法系统研究典型矿物质的热熔融变化规律，构建了典型矿物质的熔融序列，探讨了气氛、工况对矿物质熔融的影响。对典型的含铁、含钙、高铝、高硅矿物以及粘土矿物在燃烧过程中的转化过程进行了系统分析，矿物组合熔融中间产物以及还原性气氛下形成的SiO蒸气在管壁表面的凝结为其它颗粒的沉积提供了便利；矿物组合演化形成的无定形硅铝氧化物易与钙质、铁质组分反应生成三元、四元低温熔融物，从而加剧灰沉积，有关成果分别发表在Energy & Fuels、International Journal of Coal Geology等国际权威期刊。对典型电厂锅炉内不同部位沉积渣样进行了系统分析，不同渣层的化学成分、矿物成分差异显著，渣样主要由无定形相硅酸盐构成；矿物的熔融和分解是形成渣样多孔结构的原因；高温下形成的粘性SiO蒸气以及灰中细小矿物之间反应和低温共熔是电厂锅炉结渣的重要原因，本部分成果发表在国际权威期刊International Journal of Coal Geology上。与常规煤灰熔融性测定方法相比，采用矿物定量熔融热分析方法获得的灰熔融特征曲线能更好地反映矿物熔融变化规律，并提供灰熔融动态反应进程的数据，对准确预测和防治锅炉灰沉积、结渣有重要意义。项目通过三年的研究，共发表文章16篇，其中SCI收录论文5篇，EI收录论文6篇，参加国际会议6人次，国内学术会议2人次。培养研究生5名。