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粉煤灰中未燃組分及其存在形態(tài)的研究
［摘要］本文主要針對煤灰中的未燃物，從未燃物的元素組成、未燃物含量的測量及分選、未燃物的顯微形態(tài)結(jié)構(gòu)特征、未燃物的形成原因、影響未燃物含量的因素及減少措施等方面介紹了目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,并指出了今后的研究方向。為進一步優(yōu)化爐內(nèi)燃燒工況，燃燒器改造提供理論依據(jù)，并對提高粉煤灰的綜合利用，提高電廠性，加強保護具有重要意義。
�。坳P(guān)鍵字］粉煤灰 未燃組分 測定方法 分選 顯微結(jié)構(gòu) 難燃組分 影響因素 減小措施
引言
粉煤灰是火力發(fā)電廠煤粉燃燒后排放的粉狀灰粒,它是我國主要的固體廢棄物之一,2000年粉煤灰的排放量達到1.6億噸,總積灰量將達到12億m3以上,待處理,而制約粉煤灰大規(guī)模綜合利用的重要原因之一,就是粉煤灰含炭量過高,據(jù)有關(guān)文獻介紹,粉煤灰含炭量超過12%的火力發(fā)電廠占全國電廠的30%,含炭量超過8%的火力發(fā)電廠占40%。我國大中型電廠每年約有6000萬噸殘?zhí)窟z留在飛灰中,含炭量過高的粉煤灰不能被很好的利用，還要增加貯存費用，降低了電廠的經(jīng)濟性，這不僅浪費能源，而且嚴重污染環(huán)境。因此對未燃組分及其存在形態(tài)的研究就顯得極為重要，它對進一步優(yōu)化爐內(nèi)燃燒工況，指導(dǎo)燃燒器改造提供理論依據(jù)，并對提高粉煤灰的綜合利用，提高電廠經(jīng)濟性，加強環(huán)境保護具有重要意義。
一、測定及分選方法的研究
可燃物就是可以燃燒的部分，因而其成分應(yīng)該和煤的可燃成分一致，即可燃的碳、氫、氮、硫等元素；其不可燃部分為灰分、水分和氧元素。
1．飛灰和爐渣可燃物的測定方法：根據(jù)飛灰和爐渣的組成可以確定其可燃物測定方法有兩種：(1)直接測定法（direct determine method）：直接測定法是做元素分析直接測定灰渣可燃物中的炭、氫、氮、硫等可燃元素及有機氧元素，簡稱DDM法。(2)間接差減法(indirect determine method)：即先測出灰渣可燃物中灰分、水分等不可燃部分，然后減去該組分得出可燃物含量，即灼燒減量法。簡稱IDM法。DDM法測量的優(yōu)點是可以了解可燃物的組成，但其不足之處是測量項目多，工作量大。．需要直接測量其中總的碳、氫、氮、硫，然后再把其完全灰化后測其不可燃的碳、氨、氮、硫含量。同時還要測其碳酸鹽二氧化碳、水分以進行碳和氫的修正。不利于現(xiàn)場人員操作，只可做為研究或精確定量時的方法。IDM法雖然不能直接了解可燃物的組成及含量，但其測量方法簡單易行。只要進行灼燒求出減量。但部分減量可能是因水分蒸發(fā)和碳酸鹽分解而引起的，而這兩者并不屬于可燃物。因此要實測水分及碳酸鹽分解產(chǎn)物以修正減量，才能得到較為準確的可燃物值。
2．分選方法：粉煤灰中未燃炭的分選方法有濕法分選和干法分選。濕法分選利用了炭粒的表面潤濕性和可浮性；干法分選中分選效果較好的有電選法，它利用的是粉煤灰中未然炭和其他顆粒在導(dǎo)電性上的差異來實現(xiàn)的。
二、顯微結(jié)構(gòu)形態(tài)研究
研究灰中未燃炭一般要富集灰中的炭顆粒做成分析炭樣。用光學(xué)顯微鏡和描描電鏡觀察其顯微結(jié)構(gòu)形態(tài)。用計點法、網(wǎng)格法等估出各顯微類型所占的比例。鄭雨壽利用光學(xué)顯微鏡在飛灰里區(qū)分出三種炭顆粒微結(jié)構(gòu)類型，即空心炭、網(wǎng)狀炭和未熔炭�？招奶渴怯梢粋�特大氣孔和圓形的炭壁組成，具強的朔性流動標志。炭壁的厚度變化大。未熔炭外形不規(guī)則但氣孔很少，且形狀特殊，常呈窄長形，相互平行排列。網(wǎng)狀炭具不規(guī)則外形，且多數(shù)為不閉合的圓形，部分網(wǎng)狀炭的氣孔排列十分規(guī)則�？招奶咳紶a性好，未熔炭燃燼性差，網(wǎng)狀炭燃燼性介于二者之間。王運泉將火力發(fā)電廠煤粉燃燒后形成的飛灰和底灰合起來研究。將未燃組分分為兩大類：未燃燼底殘?zhí)亢臀醋兓蜃兓幻黠@的煤粒。炭的類型和豐度主要與煤沿組成、變質(zhì)程度和燃燒方式有關(guān)�？招奶亢途W(wǎng)狀炭源自鏡質(zhì)組。鏡質(zhì)組比惰質(zhì)組有較高的揮發(fā)分產(chǎn)率，在高溫?zé)峤膺^程中，會出現(xiàn)不同程度的膨脹，塑性變形，甚至流動，同時不斷釋放揮發(fā)分，因而產(chǎn)生大量的氣孔；結(jié)構(gòu)炭和末熔炭主要源自情質(zhì)組，它們在加熱過程中既不變形也不軟化，揮發(fā)分產(chǎn)率很低，未經(jīng)塑性變化過程，燃燒時可導(dǎo)致炭壁即細胞壁逐漸斷裂，所以由情質(zhì)組形成的殘?zhí)繋缀鯖]有氣孔，同時也程度不同地保存有原惰質(zhì)組的形態(tài)，結(jié)構(gòu)乃至光性持征。研究表明空心炭和網(wǎng)狀炭在燃燒時，熱化學(xué)反應(yīng)首先發(fā)生在揮發(fā)分析出所產(chǎn)生的氣孔中，隨著燃燒的進行，表現(xiàn)出密度不斷變化、直徑不變的燃燒持征，即服從所謂的“等直徑”燃燒方式，而結(jié)構(gòu)炭和末熔炭則表現(xiàn)出從顆粒表面向內(nèi)部燃燒，即密度不變，直徑不斷縮小的燃燒過程，服從所謂的“等密度”燃燒方式。
三、難燃組分的研究
粉煤灰中未燃組分即殘?zhí)恐饕獊碓从诿褐须y燃組分。對難燃組分主要是從煤巖學(xué)的角度來研究，不同的煤巖組分將影響煤的燃燒特性。近幾年的研究表明，粉煤灰中的殘?zhí)颗c原煤中的惰性組有明顯的依賴關(guān)系。大量惰性組形成的未熔炭燃燒活性差是影響電廠飛灰含炭量高的重要原因之一。
1、煤巖組分的熱解作用研究：熱解是煤粉燃燒的
[1]
2、煤焦形態(tài)的研究：煤粉熱解脫除揮發(fā)物后將形成固體煤焦，它是燃燒過程的物質(zhì)基礎(chǔ)。不僅其成分，而且包括其顆粒形狀和大小、孔隙特性等均對燃燒過程有著重要的影響，而后者我們統(tǒng)稱為煤焦形態(tài)。盡管許多研究者關(guān)于煤焦形態(tài)的研究，做了很多工作．但仍然存在著一些不足，主要可歸納為： (1)迄今為止，關(guān)于煤焦形態(tài)的分類依據(jù)主要是顆粒大小、孔隙大小及孔隙度、孔隙的連通程度、顆粒的熔融膨脹程度、外表形態(tài)、光學(xué)結(jié)構(gòu)及孔壁厚度等。 (2)分類系統(tǒng)及名詞術(shù)語較為混亂。舒新前認為，熱解過程中煤粉脫揮發(fā)分狀況及顆粒的熔融變化程是影響煤焦形態(tài)的主要原因．它決定了煤焦的顆粒狀況、孔隙特征及光學(xué)性質(zhì)。因此．顆粒的熔融變化程度應(yīng)作為煤焦形態(tài)類型劃分的主要依據(jù)，由此派生出來的煤焦顆粒的其它特征則只能作為次依據(jù)。此外，根據(jù)顆粒上原始胞腔的保留程度將未熔融狀焦分為致密狀焦、結(jié)構(gòu)狀焦及礦質(zhì)型焦三種類型。
3、煤焦的燃燒狀況及煤中難燃組分的研究：
3．1煤焦的燃燒狀況：Hamilton認為鏡質(zhì)組多形成胞狀焦，因此易于燃燼。Shibaka研究后認為．原煤中惰性組的反射率值差別較大．大多數(shù)惰性組是半絲質(zhì)體、碎屑惰性體等，其反射率值較低．熱解時易形成胞狀焦．而那些反射率值較高的惰性組．如絲質(zhì)體則易形成密實焦。Jones等認為，與鏡質(zhì)組相比絲質(zhì)體易形成更多的大顆粒焦，其孔隙率較低。但是，兩者間的差別格隨著變質(zhì)程度的升高而縮小，也就是說，燃燒是以等直徑的方式進行。而密實焦和碎屑焦由于孔隙不發(fā)達，因此空氣很難進入焦粒內(nèi)部，燃燒一股是在顆粒的外表面進行。這樣，隨著燃燒過程的進行，顆粒的粒度會逐漸減小，而其密度則近于保持不變，即所謂的等密度燃燒方式。另一些焦則以混合方式燃燒。
3．2煤中難燃組分的研究
3．2．1煤中難燃組分的研究現(xiàn)狀：如前所述．自從Shibaoka注意到了煤中各種煤巖組分間的燃燒特性差異以來，許多學(xué)者相繼開展了煤中難燃組分的研究。Nand等研究認為，煤中鏡質(zhì)組易于燃燼、惰性組成于燃燼，而且電廠飛灰中的未燃炭與原煤中的惰性組(主要是絲質(zhì)體、半絲質(zhì)體、粗粒體及假鏡質(zhì)體)有明顯的依賴關(guān)系。Lee等研究發(fā)現(xiàn)．飛灰中的末燃炭與原煤中的絲質(zhì)體、微粒體和氧化鏡質(zhì)體具有很大的相關(guān)性。然而．另外一些學(xué)者研究認為，并不是煤中所有的惰性組分均是難燃組分。因此．人們指出了利用反射率值確定煤中難燃組分的方法。Jones指出了可以用反射率值確定煤中的熔融組分、部分熔融組分及非熔融組分．并規(guī)定了反射率值為1.3%—1.8%．即反射率值低于1．3%的惰性組分．在熱解過程中也會發(fā)生熔融流動，反射率值在1．3%—1．8%之間的惰性組分會發(fā)生部分熔融，而反射率值大于1．8％的惰性組分則不會出現(xiàn)熔融流動現(xiàn)象。Falcon等認為，煤中的活性情性組分是反射率值比鏡質(zhì)組高0.03％范圍內(nèi)的組分。SkoruPska等認為活性情性組分是反射率值比鏡質(zhì)組高0.5%范圍內(nèi)的那些組分。Gray等認為，煤中的真正惰性組分主要是絲質(zhì)體、2/3左右的半絲質(zhì)體、微粒體、粗粒體和菌類體。
Thoms 等還利用激光反應(yīng)器研究了煤中惰性組分的反應(yīng)活性．并與前人的研究結(jié)果進行了對比。基于此，在確定煤中難燃組分時，在以前工作的基礎(chǔ)上，舒新前采用重液離心分離——熱天平分析及沉降爐試驗相結(jié)合的辦法，證實了我國陽泉無煙煤、淮南中揮發(fā)分煙煤及神木高揮發(fā)分煙煤中確實存在著一定數(shù)量的難燃組分，它們分別對應(yīng)于一定的比重段。M.M.Maroro-Valer等利用重液離心分離分離出惰質(zhì)組、均質(zhì)焦、非均質(zhì)焦。研究表明：密度不同時主要顯微成分不同，密度小于1.65g/cm3的飛灰惰質(zhì)組的比例最大；密度在1.7-1.78g/cm3的飛灰主要是均質(zhì)焦；密度在1.85-1.94g/cm3的飛灰主要含非均質(zhì)體。并且不同的顯微組分其比表面積也不同，比表面積隨密度成正比增加，惰質(zhì)組的比表面積為15－25m2/g，均質(zhì)焦為25－35m2/g，非均質(zhì)焦為35－6m2/g。各種顯微組分對加氣劑的吸收特性不同，這將影響飛灰用來做水泥時的防裂特性。
3．2．2煤中難燃組分研究中存在的問題及展望：綜觀上述煤中難燃組分的研究現(xiàn)狀，不難發(fā)現(xiàn)其中存在的問題與不
[2]
足．主要表現(xiàn)在：(1)普遍認為惰性組分，而且只是惰性組分中的一部分是難燃組分。然而關(guān)于這些組分在惰性組分中所占比例及這些組分的確切歸屬尚不太明確，不同研究者對此存在著不同的看法。(2)迄今為止．關(guān)于煤中難燃組分的確定依據(jù)主要是反射率值。但不同學(xué)者在研究難燃組分時，所選擇的反射率值并不同，從而造成了一定的混亂。參考文獻
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[3]
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