燃煤固硫及灰渣利用过程中多相反应机理研究

摘要

煤炭是我国最主要的能源，煤燃烧除向大气排放大量的气态污染物外，还生成许多难以处理的固体废弃物-灰渣，造成严重的大气和水土污染。本文将燃烧、污染物形成和控制以及无机成分的高效利用有机关联起来，借鉴燃烧学、矿物学、硅酸盐物理化学、环境科学、材料科学等相关交叉学科知识，采用先进的测试方法对不同复合添加剂在燃煤脱硫过程中的化学反应过程尤其是无机成分的迁移和化学反应机理进行了系统和深入的研究。重点考察了煤中掺入添加剂前后硫氧化物的排放特性及固体产物的矿物组成和利用价值，探讨了不同复合添加剂的固硫机理及固硫产物的分解转化规律，特别是对煤中掺入添加剂后无机组分的多相反应机理以及反应的热、动力学特征进行了深入的研究。 在无机组分的多相反应机理方面，利用高温反应器、沉降炉、单火嘴燃烧试验台等试验设备对煤粉、煤灰、添加剂以及模拟纯矿物试剂分别进行混合燃（煅）烧，并采用XRD、FESEM 对不同条件下燃（煅）烧后得到的固体产物的矿物组成、微观形貌进行测定，分析了添加剂的组成和加入量、温度、颗粒细度、时间、燃烧方式及接触程度、CaO 含量以及矿化剂等因素对煤与添加剂体系中无机组分的多相反应过程及反应产物组成的影响规律。在试验研究的基础上，根据多相平衡原理建立了复杂矿物质体系CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-CaSO4 的产物组成计算模型并进行了模拟计算，探讨了煤中无机组分与复合添加剂的多相反应机理，预测了不同条件下煤中掺入添加剂后灰渣的矿物组成，并根据矿物的种类、含量及水化特性分析了改性灰渣的活性和可利用性。 在燃煤固硫与固硫灰渣的物相表征方面，利用高温电阻炉、滴管炉对高硫煤中掺入不同添加剂后在800～1400℃的温度范围内进行燃烧试验，采用自动定硫仪、综合烟气分析仪对不同燃烧工况下的固硫效率、硫氧化物的释放特性进行测试分析，并采用XRD、FESEM 对固硫灰渣进行微观物化分析，探讨了温度、Ca/S、添加剂组成、停留时间、细度等因素对固硫效率和固硫灰渣矿物组成的影响，揭示了不同添加剂的固硫机理以及固硫灰渣中无机组分彼此间、无机组分与含硫物相之间反应产物的生成与分解规律。 在固硫物相的形成、分解和转化方面，采用TG-DTG-DSC-FTIR 联用的方法研究了CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、BaCO3 与CaSO4 的相互作用规律，并采用高温反应器、XRD 以及SEM 等试验设备和测试方法对不同矿物质与CaSO4 混合煅烧后的产物组成及微观形貌进行分析表征，结合多相平衡、热分析动力学以及硅酸盐固相反应动力学原理，探讨了不同矿物质对固硫产物CaSO4 稳定性的影响，建立了不同矿物质体系中CaSO4 分解的动力学模型，揭示了不同矿物质体系中各种含硫物相的形成、分解和转化规律。 在研究脱硫与灰渣利用的同时还考察了燃烧与结渣行为。采用热重分析和单火嘴燃烧试验台对煤中掺入不同比例的添加剂后的燃烧特性进行试验研究，探讨了添加剂的加入对煤粉着火、稳燃、燃尽以及放热特性的影响，并在热力学模拟计算的基础上分析了加入复合添加剂后混合灰样熔融温度的变化特性，从宏观上考察了添加剂加入后对煤粉燃烧和结渣的影响。 通过本文大量的试验研究和理论分析，揭示了复杂矿物质体系中的多相反应机理，得到了燃煤固硫与灰渣资源化利用的优化条件，为实现燃煤污染物的有效控制、燃烧副产物的高效利用进而实现能源-资源-环境一体化奠定了理论基础。