高温煤气化炉中煤灰熔融、流动和流变行为特性研究

【摘要】：煤灰在高温下的熔融性、流动性与流变性对煤气化炉的设计、稳定运行、操作参数的确定以及评价煤种适应性有着重要的意义。相关问题广泛地存在于气化炉的实际操作过程中。本论文利用本课题组自主研发的多气氛灰熔融仪、高温粘度计和高温流变仪及世界著名的热力学软件FactSage、X-射线衍射仪、X-荧光分析仪和电子扫描电镜对我国53种典型煤种中煤灰样的高温特性、化学组分、矿物组成和微观结构进行了系统而深入的研究。在本篇论文中系统研究了化学组分对煤灰熔融温度、临界温度与全液相温度的影响,揭示了不同液相相对含量下对应温度分别与熔融温度和临界温度之间存在的相关性；通过矿物分析、微观结构和元素分析发现了不同气氛对煤灰熔融温度影响的主要原因；利用热力学软件FatSage计算出的热力学数据,建立了多套煤灰高温特性模型用于预测其熔融温度、临界温度和在不同剪切速率下的粘度；系统研究了煤灰高温流变特性,并对其流型进行数学模拟；考察了来自同一煤种的灰烬与灰渣的差异性与相似性,论证了用实验室制得的灰烬预测从真实气化炉中排出灰渣高温特性的合理性。 (1)利用多气氛灰熔融仪测定了氧化物CaO、Fe2O3、MgO和SiO2/Al2O3对煤灰熔融温度的影响,并利用热力学软件FactSage计算了添加有上述氧化物后煤灰样品的全液相温度和不同温度下的矿物组成,绘制了不同组分的三元相图。研究结果表明：煤灰样品的熔融温度随上述氧化物含量增加的变化趋势与热力学软件FactSage计算出的煤灰样品全液相温度的变化趋势相似,但计算得到的全液相温度均高于其熔融温度。 (2)测定了我国21种煤灰样品在惰性气氛(Ar99.99 vo1.%)和强还原气氛(H299.99 vo1.%)下的熔融温度。研究结果表明：由于在强还原气氛下煤灰样品中熔点较低的氧化铁全部被还原为熔点较高的单质铁,同时煤灰样品在高温下的微观结构由网状结构变为钢架结构使得三角灰锥在高温下不易变形,以上两个因素使得煤灰样品在强还原气氛(H299.99 vo1.%)下的熔融温度总是高于在惰性气氛(Ar99.99 vo1.%)下的熔融温度。 (3)利用热力学软件FactSage计算得到的60组人工配灰样品在惰性气氛(Ar99.99vo1.%)和强还原气氛(H299.99 vo1.%)下的全液相温度与样品在这两种气氛下的熔融温度进行线性回归,得到了全液相熔融温度模型,在本模型中充分考虑了煤灰中矿物质对熔融温度影响这一因素,最后利用该模型成功的预测了我国煤灰样品在在惰性气氛(Ar99.99 vo1.%)和强还原气氛(H299.99 vo1.%)中的熔融温度。 (4)利用高温粘度计测定了氧化物CaO、Fe2O3、MgO和SiO2/Al2O3对煤灰样品临界温度的影响,比较了由热力学软件FactSage计算得到的不同液相相对含量下对应温度与煤灰样品临界温度的关系。研究结果表明：煤灰样品的临界温度均随着CaO、Fe2O3、MgO和SiO2/Al2O3含量的增加先减小达到最低值而后又增大,呈凹形曲线变化。 (5)借助主要化学组分相同的人工配灰样品与煤灰样品在高温下流动特性具有相似性这一特点,利用高温粘度计测定了40组人工配灰样品的临界温度,并将热力学软件FactSage计算出的人工配灰样品在不同液相相对含量下对应的温度与其临界温度进行线性相关性比较,利用相关性最好的模型预测了我国煤灰样品的临界温度。研究结果表明：人工配灰样品在高温下的临界温度与热力学软件FactSage计算得到的不同液相相对含量对应的温度的线性相关性随着液相相对含量的增加在不断增加,其中人工配灰样品的全液相温度与其临界温度的线性相关性最好(R0.900),同时具有良好的精度(σ=29℃),获得的全液相临界温度模型也成功的对我国煤灰样品的临界温度进行了很好的预测性。 (6)利用高温流变仪测定了我国45种煤灰样品在不同固体结晶粒子相对含量和不同剪切速率下的粘度,利用热力学软件FactSage计算了煤灰样品的全液相温度、在不同温度下煤灰样品中固体结晶粒子的相对体积含量和矿物组成,根据煤灰样品在不同温度下固体结晶粒子的相对体积含量的不同,将其粘温曲线图进行分段模拟。研究结果表明：对煤灰样品在高温下形成的熔渣中的固体粒子体积相对含量分别为0 vo1.%、0-10.00vo1.%和10.00-40.00 vo1.%三个区间段的粘度分别进行模拟,得到的高温粘度模型可以很好的预测我国煤灰样品高温粘度,其中多数煤灰样品高温粘度的实验值与预测值的绝对差值在实验误差范围之内。 (7)利用高温流变仪测定了煤灰的高温流变特性,研究了温度对煤灰流型的影响,剪切速率对粘度的影响,以及温度对煤灰屈服应力的影响。研究结果表明：当温度高于煤灰的全液相温度时,煤灰的流型均表现为牛顿型流体,然而随着温度的降低,固体结晶粒子的不断析出,其流型变为Bingham流体、Casson流体和Herschel-Bulkley流体,同时随着固体结晶粒子相对含量的增加,煤灰样品在高温下剪切稀化现象越来越明显,同时煤灰样品的屈服应力也随着温度的降低在不断增加。 (8)利用多气氛灰熔融仪和高温粘度计研究了来自同一煤种经实验室制的灰烬与经气化炉直接排出灰渣的高温熔融性与流行性的差异性与相似性。研究结果表明：取白同一煤种的灰烬与灰渣的化学组分与物相结构有一定的差异性,其中灰烬中的主要氧化物A12O3和Fe2O3与微量氧化物TiO2、Na2O、K2O和SO3均高于灰渣,同时灰烬的物相结构为晶态特征,而灰渣为非晶态特征,并且在灰烬的微观结构中颗粒是成团聚状,而灰渣中的颗粒无团聚呈几何形分布,灰烬的熔融温度与临界温度总是高于灰渣,同时灰烬粘度滞后性比灰渣的更加明显,但两者在高温下的差异性均在气化炉操作条件浮动范围内,同时助熔剂对灰烬与灰渣的高温熔融性与流动性的影响是相似的,因此利用实验室制的灰烬可以较好的反映从气化炉中排出灰渣的高温熔融性与流动性。 【关键词】：煤灰 熔融性 流动性 流变性 热力学模型
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TQ533
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 第1章 课题背景及研究内容15-23
• 1.1 当前煤气化技术简介与存在问题16-21
• 1.1.1 煤气化技术的昨天、今天与明天16-17
• 1.1.2 我国煤气化技术的发展与现状17-18
• 1.1.3 气流床气化炉特点18-20
• 1.1.4 气流床气化炉排渣问题20-21
• 1.1.5 煤灰高温熔融性、流动性与流变性的研究意义21
• 1.2 本课题的研究内容21-23
• 第2章 煤灰高温熔融性、流动性与流变性的研究综述23-61
• 2.1 煤灰高温熔融性研究23-32
• 2.1.1 基本概念23-24
• 2.1.2 煤灰高温熔融性研究发展趋势24-27
• 2.1.3 煤灰高温熔融性研究回顾27-32
• 2.2 煤灰高温流动性研究32-48
• 2.2.1 基本概念32-34
• 2.2.2 煤灰高温流动性研究发展趋势34-38
• 2.2.3 煤灰高温流动性研究回顾38-48
• 2.3 煤灰高温流变性研究48-59
• 2.3.1 基本概念48-52
• 2.3.2 煤灰高温流变性研究发展趋势52-54
• 2.3.3 煤灰高温流变性研究回顾54-59
• 2.4 前人研究存在的不足59-61
• 第3章 实验装置、FactSage软件和实验煤种的介绍61-75
• 3.1 煤灰高温熔融性测定61-64
• 3.1.1 煤灰熔融温度的测定方法61-62
• 3.1.2 实验装置62-64
• 3.1.3 实验允许误差64
• 3.2 煤灰高温流动性测定64-66
• 3.2.1 煤灰高温粘度的测定方法64-65
• 3.2.2 实验装置65-66
• 3.2.3 实验允许误差66
• 3.3 煤灰高温流变性测定66-71
• 3.3.1 煤灰高温流变参数的测定方法66-68
• 3.3.2 实验装置68-71
• 3.3.3 实验允许误差71
• 3.4 热力学软件FactSage简介71-72
• 3.4.1 FactSage软件发展历史71
• 3.4.2 FactSage软件特点71-72
• 3.4.3 FactSage软件在本课题中的应用72
• 3.5 实验中所用煤种介绍72-74
• 3.6 本章小结74-75
• 第4章 煤灰高温熔融性研究75-111
• 4.1 化学组分对煤灰高温熔融性影响75-91
• 4.1.1 引言75
• 4.1.2 实验方法75-77
• 4.1.3 CaO对煤灰熔融温度的影响77-81
• 4.1.4 Fe_2O_3对煤灰熔融温度的影响81-84
• 4.1.5 MgO对煤灰熔融温度的影响84-88
• 4.1.6 SiO_2/Al_2O_3对煤灰熔融温度的影响88-91
• 4.2 气氛对煤灰高温熔融性影响91-96
• 4.2.1 引言91
• 4.2.2 实验方法91-93
• 4.2.3 不同气氛下煤灰熔融温度比较93-96
• 4.3 煤灰高温熔融性预测96-110
• 4.3.1 引言96-97
• 4.3.2 实验方法97-98
• 4.3.3 人工配灰样品分类98-101
• 4.3.4 人工配灰与煤灰高温熔融性比较101
• 4.3.5 人工配灰的熔融温度相关性分析101-106
• 4.3.6 全液相熔融温度模型应用106-110
• 4.4 本章小结110-111
• 第5章 煤灰高温流动性研究111-156
• 5.1 化学组分对煤灰高温流动性影响111-124
• 5.1.1 引言111
• 5.1.2 实验方法111-113
• 5.1.3 CaO对煤灰高温流动性影响113-116
• 5.1.4 Fe_2O_3对煤灰高温流动性影响116-119
• 5.1.5 MgO对煤灰高温流动性影响119-121
• 5.1.6 SiO_2/Al_2O_3对煤灰高温流动性影响121-124
• 5.2 煤灰的临界温度预测124-133
• 5.2.1 引言124-125
• 5.2.2 实验方法125-127
• 5.2.3 人工配灰与煤灰高温流动性比较127-128
• 5.2.4 人工配灰的临界温度相关性分析128-130
• 5.2.5 临界粘度模型比较130-132
• 5.2.6 全液相临界温度模型应用132-133
• 5.3 煤灰高温粘度预测133-154
• 5.3.1 引言133-135
• 5.3.2 实验方法135-137
• 5.3.3 煤灰样品描述137-138
• 5.3.4 煤灰高温均相粘度模型138-141
• 5.3.5 煤灰高温非均相粘度模型141-153
• 5.3.6 煤灰高温粘度模型应用153-154
• 5.4 本章小结154-156
• 第6章 煤灰高温流变性研究156-168
• 6.1 引言156-157
• 6.2 实验方法157
• 6.2.1 煤灰样品分析157
• 6.2.2 煤灰高温流变性测定157
• 6.2.3 热力学计算157
• 6.3 结果与讨论157-167
• 6.3.1 煤灰高温流变特性157-160
• 6.3.2 煤灰高温流变模型160-162
• 6.3.3 煤灰高温剪切稀化现象162-166
• 6.3.4 煤灰高温屈服应力166-167
• 6.4 本章小结167-168
• 第7章 灰烬与灰渣比较研究168-179
• 7.1 引言168-169
• 7.2 实验方法169-170
• 7.2.1 灰烬与灰渣的来源与分析169
• 7.2.2 灰烬与灰渣初始成分归一化169-170
• 7.2.3 灰烬与灰渣熔融温度测定170
• 7.2.4 灰烬与灰渣高温粘度测定170
• 7.3 结果与讨论170-178
• 7.3.1 灰烬与灰渣分析170-172
• 7.3.2 灰烬与灰渣添加CaO后组成归一化172
• 7.3.3 灰烬与灰渣熔融温度比较172-174
• 7.3.4 灰烬与灰渣粘温特性比较174-176
• 7.3.5 灰烬与灰渣粘度滞后性比较176-178
• 7.4 本章小结178-179
• 第8章 结论、创新点及展望179-184
• 8.1 取得的主要成果和认识179-182
• 8.2 主要创新点182-183
• 8.3 未来展望183-184
• 参考文献184-201
• 攻读博士期间发表的论文及获奖201-203
• 致谢203-204

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