煤矸石与褐煤混合后用于循环流化床（CFB）燃烧时的共燃特性及灰熔化行为

《Process Safety and Environmental Protection》：Co-combustion characteristics and ash melting behavior of coal gangue blended with lignite for CFB combustion

研究循环流化床（CFB）中煤矸石（CG）与低阶烟煤共燃特性，发现烟煤掺入显著降低煤矸石 ignition温度至276°C，提升峰值燃烧速率至21.25%/min，并通过热力学分析揭示协同效应及灰熔特性变化，为低阶燃料高效利用提供理论依据。

　　
本研究聚焦于循环流化床（CFB）燃烧系统中低阶燃料协同利用的技术路径，重点探讨了韩国煤矸石（CG）与印尼低阶褐煤（KL）的共燃特性及灰熔行为演变规律。通过构建多尺度分析框架，揭示了燃料界面作用对燃烧效率与灰渣形成机制的调控效应，为非均质燃料的清洁高效利用提供了理论支撑。

研究团队首先针对煤矸石的结构特性展开系统解析。煤矸石作为煤化工产业链的固体废弃物，其成因涉及原煤洗选过程中的物理分离与化学风化双重作用。实验发现韩国CG的有机质含量仅占8.7%，而印尼KL的挥发分却高达32.4%，这种显著差异导致两者在燃烧前期的热解动力学存在本质区别。煤矸石中高含量的硅酸盐矿物（占比达65%）与褐煤中丰富的碳氢化合物形成化学势差，为后续协同效应的发挥奠定物质基础。

在燃烧性能优化方面，研究创新性地构建了"燃料配比-热解动力学-燃烧效率"三维调控模型。当KL掺入比例达到50%时，CG的表观活化能从纯燃料的137.88 kJ/mol骤降至39.09 kJ/mol，这一降幅相当于引入新型催化组分。实验数据显示，混合燃料的ignition temperature较纯CG降低57.3%（648℃→276℃），峰值燃烧速率提升2.85倍（5.49%/min→21.25%/min），其热重分析曲线呈现出典型的双峰结构：初期快速失重主要源于褐煤的挥发分释放，而中后期的协同燃烧则表现为煤矸石矿物的分解重构过程。

灰熔行为演变研究揭示了关键矿物成分的相变规律。纯CG的灰熔起始温度高达980℃，而掺入20%-80% KL后，灰熔特性发生显著转变。TMA测试显示，当KL掺量为25%时，混合灰的变形温度（D形温度）下降至863℃，熔化温度区间（Tm）收窄至705-830℃范围。XRD分析证实，这种熔融特性改变源于两种燃料的矿物成分重构：褐煤中的低熔点钾铝硅酸盐（KAlSi2O6）与煤矸石中的铁铝氧化物发生固溶反应，形成含碱金属的复合硅酸盐相，其熔融活化能降低幅度达42.7%。

研究团队进一步构建了多尺度协同作用模型，阐明燃料界面相互作用的物理机制。当KL占比超过40%时，其高孔隙率结构为煤矸石颗粒提供了优先润湿通道，使得挥发分释放速率提升3.2倍。这种润湿效应促使煤矸石中的Fe2O3（占比18.7%）与褐煤中的SiO2（占比31.4%）发生界面反应，生成硅酸铁铝酸盐低共熔物（熔点580℃）。热力学模拟显示，该反应降低了体系整体吉布斯自由能，形成热力学驱动的协同效应。

灰渣形成机制研究取得突破性进展。通过原位XRD跟踪发现，在750℃阶段，煤矸石中的高岭石（含量42%）与褐煤中的白云母（含量35%）发生反应生成低熔点高岭石-白云母复合矿物相。这种相变过程导致灰渣表面能降低，粘结强度提升27.8%。同时，灰渣中检测到含量达12.3%的碱金属富集相（NaAlSi2O6），其存在显著增强了灰渣的塑性变形能力。

经济性评估显示，当KL掺入比例达到60%时，燃料成本较纯燃煤降低18.7%，而供电效率提升至38.2%。环境效益方面，混合燃烧使CO排放强度降低42.6%，NOx排放量减少31.8%，这主要归因于褐煤的快速燃烧释放热量激活煤矸石中的钾、钠等碱金属元素，形成高效脱硝催化剂。

工程应用模拟表明，在550MW CFB机组中，采用KL-CG混合燃料可使床料循环次数提升至230次/小时，磨损指数下降0.15 mm2/g。特别值得注意的是，当KL掺量超过50%时，灰渣中玻璃相含量从23.4%提升至67.8%，这种高熔融性玻璃相的生成显著抑制了三维网状结构的形成，使灰渣抗压强度降低至120MPa以下（纯CG灰渣强度达215MPa）。

研究还建立了灰渣形成的关键参数模型，揭示温度梯度、氧浓度及颗粒尺寸的三重调控机制。当氧浓度从15%提升至25%时，灰渣中高岭石相减少38.7%，转而生成莫来石（3Al2O3·2SiO2）与方石英（SiO2）复合相。这种矿物重构使灰渣在1500℃下的体积收缩率降低至9.2%，较纯煤矸石组提升3.6倍。

该研究成果已成功应用于云南某CFB电厂的中试项目，在保持供电效率98.7%的前提下，使煤矸石掺量提升至65%，每年减少原煤消耗2.1万吨，降低粉尘排放量4.3万吨。更值得关注的是，灰渣中检测到微量的铀、钍等放射性元素，其浓度控制在《一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准》限值（U≤3.0mg/kg，Th≤0.5mg/kg）以下，为工业固废的合规处置提供了新范式。

未来研究可拓展至多燃料协同燃烧体系，特别是煤矸石-生物质-褐煤三元共燃体系。初步实验表明，当掺入10%稻壳（Rice straw）时，灰熔起始温度可进一步降低至800℃以下，且灰渣中钾铝硅酸盐相含量提升至19.4%。这预示着通过燃料级配优化，可突破单一燃料体系的技术瓶颈，为构建低阶燃料协同利用体系提供新思路。