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煤灰流动性研究方法进展

作者

颜婷珪白进孔令学代鑫李怀柱郭振兴白宗庆李文
单位

贵州大学化学与化工学院中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室首钢技术研究院绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室
摘要

随着煤转化工业对转化率和生产效率要求的进一步提高，煤的热转化过程更趋向于在高温高压转化器中进行。在高温高压的液态排渣燃烧炉和气化炉中，煤中矿物质完全熔融成熔渣形式再排出。对于采用液态排渣和水冷壁的气流床气化炉，要求煤灰熔融温度低于操作温度，熔渣黏度范围为2.5～25.0 Pa·s，且在操作温度范围内黏度随温度的波动较小，因此气化过程中煤灰的熔融性和黏温特性是影响熔渣流动的关键因素。笔者论述了传统灰熔融评价方法的发展过程，各国标准方法的原理都是通过被压实样品在升温过程中的形变来判断得出熔融温度，但仅靠熔融温度无法提供实现现代大型气化过程精细化控制所需信息，而对煤灰熔融过程的全阶段测试有助于更准确地指导实际生产。对比各国研究者对熔融过程的定性和定量研究表明，熔融温度中的变形温度并非煤灰开始熔融的温度，针对煤灰沉积、烧结等问题，熔融全过程测试提供的开始收缩温度和热力学计算预测的液相最初形成温度有助于更准确地预测煤灰可能产生沉积或烧结的温度。黏温特性的测试目前仍依靠高温旋转黏度测试法，该法耗时较长且流程繁琐，因此研究者更趋向于用更简便和省时的方法实现对适用样品的黏温特性的快速筛选。除了试验方法，模拟计算方法在煤灰流动性研究中的应用越来越普遍，通过热力学计算和分子模拟方法，能够获得试验难以测得的矿物质组成及熔体的微观结构变化，且分子模拟中非平衡分子动力学方法可更准确模拟复杂流体的剪切稀化过程，从而获得更接近试验值的黏度计算结果。采用非平衡方法提高了计算结果的准确度，但也增加了计算的复杂程度及所耗费的机时，且目前煤灰体系的计算模型选择不多，因此采用分子模拟方法应综合考虑体系的复杂度与计算结果的准确性。随着熔融过程研究的进一步深入和模拟计算方法的普遍应用，试验结果呈现的宏观性质变化机理将更易于通过微观结构变化来阐明，反过来也将有助于优化现有的模拟计算方法和参数。
关键词

煤灰熔融特性熔融过程黏温特性分子模拟
基金项目(Foundation)

国家自然科学基金资助项目（21808045，U1510201）；国家自然科学基金（国际合作）资助项目（21761132032）；贵州省科学技术基金资助项目（黔科合平台人才［2018］5781）
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这篇文章属于煤的灰化学（13篇）

这篇文章属于《洁净煤技术》创刊25周年专刊（25篇）
图表

灰锥熔融特征温度示意[13]

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ACIRL法测试装置示意[14]

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热机械分析仪示意[18]

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熔融过程示意

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旋转式高温黏度仪示意

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倾斜板式黏度测量法示意[32]

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非平衡态几何示意[48]

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