高硅煤燃烧高温矿物学的研究

Coal is the most important primary energy in China. Mineral matter in coal is the key factor on safe and efficient utilization of coal, as well as pollutant emissions and controls, especially on PM2.5 generation and emission during coal combustion. Combine muti-disicipline theories and methods of coal petrology, mineralogy, Silicate materialogy and combustion science, based on the mineralogical study of high-silicon coals, focus on the silicon-bearing minerals in fly ash, find out silicon-bearing mineral transformation in coal and the formation mechanism of silicon-bearing minerals in fly ash during coal combustion, understand the effects of temperature, component, content and atmosphere on the formation of silicon mineral phases during coal combustion, study on carbothermal reaction of silicon-bearing minerals at high temperature. Construct the theory of physicochemical transformation of silicon-bearing minerals during coal combustion. Enrich the coal petrology and develop the high temperature mineralogy of coal combustion. Provide some theory foundation for the coal combustion and the pollution emission controls.

煤炭是我国的重要能源，矿物质对煤炭的安全高效利用和污染物排放，特别是PM2.5的排放起着重大甚至决定性的作用。通过煤岩学、矿物学、硅酸盐材料学和燃烧学等多学科的理论和方法交叉融合，在定量研究煤中含硅矿物及其它矿物组合精细特征基础上，研究煤燃烧产物中含硅矿物组合特征，定量分析煤灰中含硅矿物与煤中含硅矿物的对应关系；揭示不同工况条件下含硅矿物转化路径和转化规律，新的含硅矿物相的生成与温度、组分和含量的关系；研究不同温度、不同气氛下煤中主要含硅矿物的碳热反应，探讨碳存在高温下含硅矿物演化、相互作用机理，提出煤中主要含硅矿物碳热反应基本框架。掌握煤燃烧高温热场中含硅矿物的演化规律及其与其它矿物组合的相互作用机理，丰富和拓展煤岩学，发展煤燃烧高温矿物学，为煤炭的高效安全利用以及PM2.5污染防治提供科学依据。

本项目针对煤燃烧含硅矿物的迁移转化和颗粒物形成问题，系统采集了云南高硅煤样，通过等离子低温灰化结合比重液分选方法，分离出高硅煤中不同密度的轻重矿物，利用X射线荧光光谱（XRF）、X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜结合能谱分析（FSEM-EDX）和光学显微镜等分析煤中轻矿物和重矿物的化学组成，矿物组分及微观结构特征，定量研究了高硅煤中含硅矿物组合特征。采集了高硅煤电厂的高硅粉煤灰，并对粉煤灰进行粒度分级，分析粉煤灰不同粒径颗粒中的元素组成和矿物组合特征。进行了高硅煤沉降炉（DTF）燃烧实验，采集燃烧后不同粒径的细颗粒物，揭示高硅煤燃烧过程中细颗粒物的形成规律；研究了高硅煤中主要成分SiO2在不同气氛和温度条件下的蒸发行为，进而研究高硅煤燃烧利用细颗粒物的形成和排放特征。采用热力学计算方法，模拟高硅煤燃烧过程中含硅矿物与其他矿物间的相互作用过程；新的含硅矿物相的生成，含硅矿物相转化与温度、组分、含量的关系，构建煤燃烧过程中含硅矿物演化路径。进行了含硅矿物碳热反应实验，研究了含硅矿物与含钙-镁矿物、含铁矿物、含铝矿物等高温反应过程，分析不同配比、煅烧温度、煅烧时间对含硅矿物碳热反应过程和产物的影响，完善煤燃烧高温下含硅矿物质演化和相互作用理论，丰富煤燃烧高温矿物学。共发表论文22篇，其中SCI收录论文18篇，EI收录论文22篇，申请专利1项，出版专著1部，参加国际会议9人次，国内学术会议2人次，培养研究生7名。