準東煤燃燒中礦物質轉化行為的CCSEM研究

樊　斌，于敦喜，曾憲鵬，呂為智，吳建群，徐明厚

（1華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2景德鎮陶瓷學院材料科學與工程學院，江西 景德鎮 333403）

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研究簡報

準東煤燃燒中礦物質轉化行為的CCSEM研究

樊斌1，2，于敦喜1，曾憲鵬1，呂為智1，吳建群1，徐明厚1

（1華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2景德鎮陶瓷學院材料科學與工程學院，江西 景德鎮 333403）

在沉降爐中進行了準東煤的燃燒實驗，利用計算機控制掃描電鏡技術（computer controlled scanning electron microscopy，CCSEM）研究了煤中礦物質的轉化行為。研究表明煤中主要礦物為方解石、高嶺石、含鐵類物質以及未分類礦物，燃燒后灰中石英、鐵的氧化物、白云石的含量急劇增加，未分類礦物和方解石的含量下降。同時對3種重要致渣元素Na、Fe、Ca在燃燒前后的礦物轉化行為及顆粒粒徑分布進行了詳細研究。

燃料；煤燃燒；反應；CCSEM；礦物轉化

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151438

引　言

準東煤田是近年在新疆探明的特大煤田，煤炭資源預測儲量3900億噸，目前累計探明資源儲量2136億噸，煤田成煤面積1.4萬平方公里，是我國目前最大的整裝煤田［1］。以我國現在煤炭年產量計算，一個準東煤田就能夠全國使用一百年。但是，準東煤在燃燒利用過程中容易出現爐膛水冷壁結焦，導致鍋爐爐膛出口煙溫升高，水平煙道受熱面高溫沾污，積灰嚴重，有時不得不停爐清焦［2］。而煤中的礦物質是引起鍋爐結渣沾污的主要原因［3-4］。關于準東煤中礦物質的轉化，目前有不少學者進行了相關研究，主要關注準東煤的堿金屬賦存形態及灰熔融溫度的影響等。如翁青松等［5］研究了準東煤

2015-09-11收到初稿，2015-11-19收到修改稿。

聯系人：于敦喜。第一作者：樊斌（1978—），男，博士研究生，講師。

本文對原煤及燃燒后總灰樣品的分析采用了先進的計算機控制掃描電鏡（computer controlled scanning electron microscopy，CCSEM）技術。CCSEM技術是傳統體分析技術的重要補充，在獲取礦物非均勻分布信息方面具有很大優勢。CCSEM技術是一種逐粒分析技術，它通過逐個分析大量（＞3000）礦物顆粒，獲得每個顆粒的元素組成、粒徑、形狀和截面面積等物理參數，經過統計分析和相關處理，能夠給出體分析技術無法獲得的礦物非均一分布信息［11-13］。CCSEM數據處理主要包括礦物分類、內在與外在礦物的識別及相關統計分析。礦物類型的定義采用Zygarlicke等［14］的研究結果，CCSEM的詳細分析過程可參考文獻［13，15］。

1　實驗部分

實驗前將準東原煤進行干燥、研磨、篩分，煤粉粒徑采用63～100 μm。準東煤原煤的工業分析和元素分析見表1。煤粉燃燒實驗在高溫沉降爐中進行。高溫沉降爐系統包括給粉器、反應器和取樣裝置3部分。取樣管內設有水冷卻裝置并采用純N2淬冷，以防止煤灰顆粒的二次反應，關于實驗系統的詳細介紹可參考相關文獻［16］。燃燒氣氛為模擬空氣氣氛（O2/N2=1：4），給氣量為4 L·min-1，給粉速率為0.15 g·min-1，燃燒溫度設定為1350℃。煤樣在該系統中進行燃燒，通過玻璃纖維濾筒收集燃燒后的總灰，總灰中含碳量經測定約1%。

表1　R原煤特性Table 1　Raw coal properties

2　結果與討論

2.1燃燒前后礦物的組成特性

為了方便表示，在圖中將煤和灰中的礦物分別用coal和ash表示。由圖1可知，原煤中檢測出的主要礦物為方解石（calcite），高嶺石（kaolinite），其內外在形式基本各占一半，其次為黃鐵礦（pyrite），磁黃鐵礦（pyrrhotite），氧化的磁黃鐵礦（oxidized pyrrhotite），鐵的氧化物（iron oxide），再次為石英（quartz），富硅（Si-rich）和富鈣（Ca-rich）礦物，它們主要以外在礦的形式存在，還有很大一部分以未分類（unclassified）形式存在。圖1還比較了煤及其灰中礦物的類型與含量。對比原煤可以發現，燃燒后煤灰中石英、鐵的氧化物、白云石（燃燒后為鈣和鎂的氧化物）的含量明顯增加，此外高嶺石（燃燒后為莫來石）、硬石膏、富硅和富鈣礦物也有所增加，但方解石（燃燒后為鈣的氧化物）的含量有所下降，黃鐵礦、磁黃鐵礦和氧化磁黃鐵礦的含量為零，說明燃燒中發生了徹底轉化，生成鐵的氧化物。

圖1　煤與灰中礦物組成Fig.1　Minerals in coal and ash

在CCSEM礦物分類中，通常將構成復雜，無法用已有規則進行分類的礦物歸為未分類礦物，也稱為復雜礦物。未分類礦物在準東煤中及灰中占有較大比例，因此其燃燒轉化行為對顆粒物的形成也有很大影響。圖2為煤與灰中未分類礦物氧化物成分分布，可以看出未分類礦物含Ca、Si、Al、Mg以及不同比例的Fe、Na、K 等元素，表明它們實際上是組成復雜的硅酸鹽，同時不難發現Na、K、S、P等易揮發元素在灰中未分類礦物中的含量急劇減少，表明在燃燒過程中發生了顯著氣化。

圖2　煤與灰中未分類礦物氧化物成分分布Fig.2　Element distribution of unclassified mineral in coal and ash

2.2燃燒前后礦物的粒徑分布

圖3比較了煤與灰中礦物顆粒的粒徑分布，由圖中可以發現顆粒小于2.2 μm的質量份額減小，表明在這個粒徑下的部分顆粒發生了聚合轉化為粒徑大于2.2 μm的顆粒。22～100 μm顆粒質量份額也是減小，這可能是由于一部分顆粒發生熔融聚合轉化為大于100 μm的顆粒，導致100～211 μm顆粒質量份額增加，同時一部分顆粒發生破碎導致2.2～22 μm顆粒質量份額增加。

圖3　煤與灰中礦物粒徑分布Fig.3　Minerals particle size distribution in coal and ash

下面以煤中主要的礦物質，方解石、高嶺石、含鐵類物質和未分類礦物（復雜礦物）為例， 進一步深入分析各自的粒徑轉化規律。方解石為煤中常見的一種碳酸鹽（另外兩種碳酸鹽白云石和鐵白云石在本煤種中沒有發現），方解石在1200～1300 K之間發生分解反應，生成CaO和CO2，同時在本實驗中由圖4（a）可知，方解石顆粒發生了破碎，煤中大于100 μm的方解石顆粒發生了破碎進而轉化為小粒徑顆粒。Ten等［17］和Yan等［18］都對空氣氣氛下方解石的破碎行為進行了研究。Ten等［?17］利用模擬火焰研究了通過浮選得到的煤中方解石的轉化行為，研究發現一個60 μm的方解石顆粒破碎為10個小顆粒。Yan等［18］利用沉降爐研究了一種天然方解石的轉化行為，研究發現一個45～63 μm的方解石顆?？善扑闉?個小顆粒，產生的顆粒沒有發生熔融和燒結。以上研究均表明在空氣氣氛下方解石顆粒在燃燒后均發生了破碎行為，與本實驗結果是一致的。圖4（b）是煤及其灰中高嶺石（莫來石）顆粒的粒徑分布。高嶺石是煤中重要的黏土礦物，不難發現，在46 μm以下，灰中莫來石含量均低于煤中高嶺石含量，但是在46 μm以上，灰中莫來石含量急劇增加，這說明煤中小于46 μm的高嶺石顆粒在燃燒過程中由于高溫作用發生了熔融聚合形成了較大的殘灰顆粒。圖4（c）是煤及其灰中含鐵類物質，由圖2可知，煤中主要含鐵物質為黃鐵礦、磁黃鐵礦、氧化的磁黃鐵礦和鐵的氧化物，其粒徑主要集中在22～46 μm，燃燒后主要轉變為粒徑大于100 μm的顆粒物。未分類的復雜礦物如圖4（d）所示，燃燒前主要集中在22～100 μm，燃燒后大顆粒粒徑減小，主要轉化為10 μm左右的顆粒。

2.3重要致渣元素的轉化行為

圖4　煤中主要礦物質量粒徑變化Fig.4　Minerals mass size distribution in coal and ash

圖5　Na在煤和灰中的礦物分布Fig.5　Na distribution in coal and ash

Na、Fe、Ca是導致受熱面積灰結渣的重要元素［19-22］，因此重點研究它們在燃燒過程中的轉化行為具有重要的意義。由圖5可知，鈉在煤中主要是以未分類（復雜）礦物形式存在，少量以鈉鋁硅酸鹽形式存在，燃燒后鈉主要遷移到鈉、鈣、鐵的硅鋁酸鹽以及富鈣和富硅礦物中，未分類礦物中的鈉含量急劇降低，這說明鈉與硅鋁酸鹽等發生了相互作用。由圖6可以看出，鈉氧化物的質量份額在100～211 μm粒徑段略有增加，但在其他粒徑段內的份額均急劇減小，可能是鈉在燃燒時發生了氣化，形成了更小粒徑（小于0.5 μm）的顆粒，但是這部分顆粒無法為CCSEM所檢測。關于鈉從煤中的釋放，已有研究［23］表明鈉從煤中釋放分為兩個階段。第一階段是在燃燒初期，這個階段鈉實際上并沒有真正從煤中揮發出來，而是在煤中以不同形態發生相互轉化。第二階段是在燃燒后期，鈉才真正從煤中釋放出來。對于鈉的釋放目前研究認為有3種途徑［24-27］：一是通過NaCl形式揮發，二是通過有機鈉轉換成的Na原子形式揮發，三是分別通過Na和Cl原子釋放。Lee等［25］的研究結果認為，鈉蒸氣是由煤中的NaCl直接蒸發而來。對于水合鈉，Rassk［27］認為，由于水分的存在，鈉在煤顆粒加熱脫水的過程中會被帶至顆粒表面并以NaCl的形式釋放出來。對于有機鈉，則普遍認為是通過鈉原子的形式從煤中釋放出來。基于鋁元素示蹤法的顆粒物模態識別研究［16］表明，小于0.3 μm的顆粒屬于超細模態，其主要的生成機理為氣化凝結機理，且其元素成分主要為易揮發元素。而目前CCSEM技術對于顆粒粒徑小于0.5 μm的顆粒物無法檢測，所以可以推測從各個粒徑段揮發出來的鈉最終轉移到小于0.5μm的細顆粒中去了。

圖6　Na2O在煤和灰中的質量粒徑分布Fig.6　Na2O mass size distribution in coal and ash

　圖7　Fe在煤和灰中的礦物分布　Fig.7　Fe distribution in coal and ash

圖8　Fe2O3在煤和灰中的質量粒徑分布Fig.8　Fe2O3mass size distribution in coal and ash

　圖9　Ca在煤和灰中的礦物分布　Fig.9　Ca distribution in coal and ash

由圖7可知，煤中的Fe主要以黃鐵礦、磁黃鐵礦、氧化的磁黃鐵礦以及鐵的氧化物和未分類（復雜）礦物的形式存在，而燃燒后基本上以鐵的氧化物形式存在。有趣的是，樣品中以鐵鋁硅酸鹽的形式存在的礦物含量很低，且燃燒前后無明顯變化，表明燃燒過程中鐵與硅鋁酸鹽之間的反應較弱。燃燒后富硅礦和鐵白云石（實際是鈣、鐵氧化物）中Fe的含量升高，表明鐵與鈣和硅發生了相互作用。

圖8是鐵的氧化物在煤和灰中的粒徑分布，在煤中其主要集中在22～46 μm，燃燒后發生了熔融聚合，轉變為100～211 μm的顆粒中，且其主要成分由圖7可知為鐵的氧化物。0.5～2.2 μm的含鐵物質也發生了熔融聚合，從而導致其中鐵氧化物的質量份額下降。

Ca在煤和灰中的礦物分布如圖9所示。鈣在煤中主要以未分類（復雜）礦物和方解石的形式存在，燃燒后Ca發生了明顯的遷移，方解石的質量份額顯著下降，白云石（dolomite）、Ca-Al硅酸鹽、Ca鋁酸鹽、石膏（gypsum）、石膏/鋁硅酸鹽以及富鈣礦物含量均增加，表明鈣發生了硅酸鹽化和硫酸鹽化。同時從氧化鈣在煤和灰中的質量粒徑分布圖（圖10）來看，其變化趨勢與圖4中方解石和未分類（復雜）礦物質量粒徑分布類似，因為煤中的鈣主要就是以這兩種類型的礦物存在。

3　結　論

本文利用計算機控制掃描電鏡技術（CCSEM）對準東煤在燃燒前后的礦物轉化及粒徑分布做了詳細的表征和分析。得到以下主要結論。

圖10　CaO在煤和灰中的質量粒徑分布Fig.10　CaO mass size distribution in coal and ash

（1）準東煤中主要礦物為方解石、高嶺石、含鐵類物質（主要為黃鐵礦、磁黃鐵礦和氧化的磁黃鐵礦）以及未分類（復雜）礦物，其內外在礦的形式基本為各占一半。

（2）燃燒后，灰中石英、鐵的氧化物、白云石的含量急劇增加，莫來石、硬石膏、富硅和富鈣礦物都有所增加，未分類（復雜）礦物和方解石的含量有所下降。同時通過燃燒前后顆粒的質量粒徑分布圖，表明燃燒后顆粒發生了破碎和團聚行為。

（3）通過對Na、Fe、Ca 3種對灰沉積有重要影響的元素進行分析，一部分Na發生了硅酸鹽化，同時各個粒徑段的Na均發生了氣化。含Fe物質燃燒后主要轉變為鐵的氧化物，同時發生了熔融聚合。含Ca物質發生了硅酸鹽化和硫酸鹽化，同時顆粒發生了破碎行為。

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Mineral transformation during Zhundong coal combustion by CCSEM

FAN Bin1，2， YU Dunxi1， ZENG Xianpeng1， Lü Weizhi1， WU Jianqun1， XU Minghou1
（1State Key Laboratory of Coal Combustion， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， Hubei， China；2School of Materials Science and Engineering， Jingdezhen Ceramic Institute， Jingdezhen 333403， Jiangxi， China）

The mineralogy of Zhundong coal and its combustion-generated particles were characterized in detail by computer controlled scanning electron microscopy （CCSEM）. The experiment was done on a lab-scale drop tube furnace. The results showed that there were calcite， kaolinite， pyrite， pyrrhotite， oxidized pyrrhotite and unclassified minerals in Zhundong coal. The mass fraction of quartz， iron oxide and dolimite increased sharply，while the mass fraction of calcite and unclassified minerals decreased. Also， the behaviors of Na， Fe and Ca as the important elements to the ash deposition， and their particle size distributions were investigated.

fuel； coal combustion； reaction； CCSEM； mineral transformation

date： 2015-09-11.

YU Dunxi， yudunxi@hust.edu.cn

supported by the National Basic Research Program of China （2013CB228501）， the National Natural Science Foundation of China （51376071） and the Program for New Century Excellent Talents in University （NCET-11-0192）.中堿金屬的賦存形態對其燃燒特性的影響。范建勇等［6］通過準東煤的灰熔融溫度對其結渣特性進行了表征。趙慶慶等［7］、王學斌等［8］和馬巖等［9］研究了添加劑對準東煤灰熔融溫度的影響。王禮鵬等［10］通過某摻燒準東煤的電廠鍋爐采樣研究了準東煤混燒的沾污結渣特性。盡管上述學者對準東煤的灰熔融特性和沾污結渣特性進行了相關研究，但是其關注的是準東煤的整體礦物的轉化，對于準東煤在燃燒前后的單顆粒礦物質的具體轉化還不是很清楚，有待于進一步研究，以更好地了解其在燃燒過程中的遷移轉化規律，從而加深對其沾污結渣機理的認識。

TK 24

A

0438—1157（2016）05—2117—07

國家重點基礎研究發展計劃項目（2013CB228501）；國家自然科學基金項目（51376071）；新世紀優秀人才支持計劃項目（NCET-11-0192）。