高碱煤燃烧过程中灰行为对多相界面粘附特性的影响研究

The process of sublimation and condensation of alkali metal and the complicated physical chemistry actions along with alkali minerals on multi-interface(gas-solid interface, gas-liquid-solid interface, liquid-solid interface) during coal combustion with high content alkali metal is the main reason of the specific ash behavior. The key scientific issues of developing power plant boiler technology which is suit for using high content alkali coal metal will be used in this project. By combination of theory analysis and experimental study the process of sublimation and condensation of alkali metal and the complicated physical chemistry actions along with alkali minerals on multi-interface during coal combustion with high content alkali metal will be studied at both macro ash behavior characteristics and micro molecular structure properties of mineral levels. The complex physiochemical reaction mechanism among alkali minerals on muti-interface will be deeply studied and well known. Based on the well known on the effect of ash melting behavior on ash deposition characteristics on multi-interface during coal combustion and owned experimental data, by using the theory of chemical thermodynamic equilibrium and phase transition equilibrium, the prodiction of ash adhesion behavor on mutil-interface based on minerals composed during high content alkali coal combustion will be built. The result of this project will lay the foundantion for developing the power plant boiler technology which is suit for using high content alkali coal metal.

高碱煤燃烧过程中Na、K的升华、冷凝行为及其多相界面(气-固界面、气-液-固界面、液-固界面)上的复杂物理化学作用，致使高碱煤在燃烧过程中呈现出独特的多相界面粘附特性。本项目紧密围绕开发适合高碱煤电站锅炉技术所需亟待解决的关键科学问题，采用理论研究(量子化学计算、化学热力学平衡、高温相变理论等)与实验研究相结合的研究方法，从煤中矿物质微观分子结构的物理-化学特性和煤灰物理相变变化特性两个层面上深入研究、探索高碱煤燃烧过程中Na、K的升华、冷凝行为及其多相界面上的复杂物理化学变化过程及其作用机理；研究高碱煤燃烧过程中多相界面表面灰的粘附行为变化特性及其形成机制；结合化学热力学平衡理论和高温相变理论，建立基于煤中矿物质组成能够真实反映高碱煤燃烧过程中灰的行为变化特性的多相界面表面粘附行为预测模型，为开发适合高碱煤电站锅炉技术奠定基础，具有十分重要的现实意义和工业应用价值。

“准东煤田”是新疆煤炭资源储量最为富集，也是新疆自治区三个储量大于3000亿吨的超级煤田之一，是新疆新型工业化建设的重点地区，对未来新疆新型工业化进程起着举足轻重的作用。但由于准东煤中含有大量的Na、K、Ca等碱金属，其燃烧过程中的Na、K 升华、冷凝行为及其多相界面(气-固界面、气-液-固界面、液-固界面)上的复杂物理化学作用，使得高碱煤在燃烧过程中呈现出独特的多相界面粘附特性，这也是新疆高碱煤与常规动力用煤相比表现出独特沾污、结渣特性的根本原因。由于高碱煤在炉内的结渣、积灰特性及其形成机理尚不明晰，致使目前均锅炉均无法全烧该类煤种，严重制约了新疆高碱煤的大规模高效、清洁利用。本项目紧密围绕开发适合高碱煤电站锅炉技术所需亟待解决的关键科学问题，采用理论研究(量子化学计算、化学热力学平衡、高温相变理论等)与实验研究相结合的研究方法，从煤中矿物质微观分子结构的物理-化学特性和煤灰物理相变变化特性两个层面上深入研究高碱煤燃烧过程中Na、K 的升华、冷凝行为及其多相界面上的复杂物理化学变化过程与作用机制，为开发适合高碱煤电站锅炉技术奠定基础。首先搭建“煤燃烧条件下界面表面煤灰粘附行为变化特性研究试验系统”，并在该实验装置上系统研究了典型新疆高碱煤燃烧过程中Na、K等碱金属的释放及其在不同金属材料表面上的冷凝行为，并利用量子化学理论和高温相变理论很好的揭示了典型高碱煤燃烧过程中煤中Na、K等碱金属在灰的形成、沾污、结渣过程中所起的关键作用与作用机制；并在此基础上，利用3MW煤燃烧中试平台，模拟实际电站锅炉炉内热环境系统研究了典型准东高碱煤及其混煤燃烧过程中Na、K、Ca、Fe等碱金属的迁移、沉积规律，很好的验证了基础研究结果与理论分析；基于对新疆高碱煤沾污/结渣特性与作用机理的认识，建立开发了基于高碱煤Na、K等碱金属迁移规律、煤灰化学组份热力学平衡理论和煤灰粘温特性等在内的新疆高碱煤燃烧沾污结渣子模型，能够很好的预测高碱煤及其混煤在炉内燃烧过程中在炉内及锅炉尾部各受热面发生沾污结渣的程度与位置，为更好的预测新疆高碱煤沾污结渣行为提供了有力技术支持和理论依据。项目执行期间，共计发表研究领域相关科研论文23篇，其中SCI收录期刊9篇，EI收录期刊6篇，申请国家专利4项。