《International Journal of Coal Geology》：Mineral transformation during high-alkali coal combustion: From laboratory to pilot to power plant
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高碱煤燃烧过程中硅铝酸盐矿物相变与灰渣分区沉积机制研究，通过多尺度实验揭示AAEMs（Na、Ca、Mg）释放与硅铝缓冲能力动态平衡对矿物形成及灰渣沉积的影响规律。
Bowen Chen | Lipeng Wang | Zhuo Xiong | Yongchun Zhao | Junying Zhang
中国华中科技大学能源与动力工程学院煤炭燃烧国家重点实验室，武汉 430074
摘要
高碱煤，特别是来自中国准东煤田的煤炭，是一种重要的能源资源，但由于其中含有大量的碱金属和碱土金属（AAEMs），在燃煤电厂中会导致严重的结渣和污染问题。尽管人们对AAEMs的释放行为及其在低熔点灰形成中的作用进行了广泛研究，但在实验室、中试和全工业规模上，将温度分辨的矿物转化路径与分区的灰沉积过程系统地结合起来仍然有限。本研究采用了一种多尺度方法，结合了原位高温X射线衍射（HT-XRD）、中试规模的燃烧实验以及来自300 MW燃煤电厂的灰沉积特性分析，研究了来自吐哈（Naomaohu煤）、准东（Shenhua煤和Yihua煤）和宁东（Meihuajing煤）煤田的代表性高碱煤。研究结果揭示了含AAEM的碳酸盐、氯化物、硫酸盐和铝硅酸盐在高温下的顺序分解、挥发和固熔反应，这些过程受到AAEM释放与Si-Al矿物缓冲能力平衡的影响。在硅缺乏的条件下，过量的Na、Ca和Mg促进了硅不饱和铝硅酸盐和低熔点共晶体的形成，包括霓石、钙铝榴石、斜长石和透辉石相关相。在高碱煤中，石英在1000°C以上完全分解，促使低熔点AAEM-铝硅酸盐的形成；而通过混合增加Si-Al含量可以抑制此类转化。从实验室到中试和全工业规模，观察到了大体一致的矿物学趋势，将熔融的AAEM-铝硅酸盐与高温结渣、富含硫酸盐的相与低温污染联系起来。这些发现为高碱煤燃烧过程中含AAEM矿物的转化提供了温度分辨的理解。
引言
尽管正在向低碳替代能源转型，煤炭仍在全球能源供应中发挥着重要作用（Kholod等人，2020年）。在中国，特别是准东煤田拥有超过390 Gt的高碱煤储量，这是满足未来能源需求的重要战略资源（Zhu等人，2017年；Dai和Finkelman，2018年）。然而，这些煤炭中高含量的碱金属和碱土金属（AAEMs，尤其是Na和Ca）在燃烧过程中会导致严重的灰相关问题，包括水壁上的结渣和对流加热表面的污染，从而降低传热效率，增加维护成本，并威胁锅炉的安全运行（Dai等人，2015年；Wang等人，2015年；Mishra等人，2016年；Sun等人，2021年）。
大量研究阐明了这些问题的关键机制。先前的研究表明，AAEMs通常以水溶性、有机结合或离子交换的形式存在，在高温过程中会发生显著的释放和转化（Liang等人，2019年；Zhang等人，2021年）。释放出的AAEM物种可以与Si-Al相形成低熔点共晶体（例如霓石、钙铝榴石或Na-Ca-Mg铝硅酸盐），产生粘性的熔体并附着在加热表面上，特别是在高温区域（Li等人，2015年；Yang等人，2018年；Liu等人，2022a）。在中温和低温区域，气态碱化合物会凝结成硫酸盐（例如CaSO4），导致污染沉积（Wang等人，2018a；Yu等人，2020年；Zhang等人，2021年）。燃烧条件如温度、气氛、煤炭混合和矿物添加剂（例如高岭土、二氧化硅、蛭石）已被证明会影响AAEM的行为、灰的熔融温度和沉积严重程度（Li等人，2013年；Dai等人，2015年；Song等人，2017年；Chen等人，2025年；Wu等人，2025年）。
然而，大多数先前的研究要么关注宏观沉积现象，要么仅研究矿物行为的孤立方面，通常是在单一尺度上（Wang等人，2015年；Liu等人，2019年；Long等人，2023年）。虽然普遍认识到在Si-Al缓冲能力有限的情况下AAEM释放的一般作用，但在详细实验室尺度矿物转化序列（特别是使用原位高温技术）、中试规模燃烧和来自相似煤系统的工业规模电厂灰沉积之间的系统联系仍然有限。特别是，不同Na/Ca/Mg比例的高碱煤之间的组成差异及其与跨尺度分区沉积行为的直接联系需要进一步澄清。
本研究采用了一种多尺度方法，结合了原位高温X射线衍射（HT-XRD）、中试规模燃烧实验以及来自300 MW燃煤电厂的灰沉积特性分析。通过研究在不同温度和组成条件下含AAEM矿物的顺序分解、挥发和固熔反应，本研究旨在进一步了解AAEM再分布的温度分辨行为及其与灰沉积的关系。这些观察结果可能有助于为高碱煤的利用开发更针对性的缓解策略。
章节摘录
煤炭样本
本研究选择了来自中国西北部的代表性高碱煤，采自吐哈、准东和宁东煤田（图1）。煤炭样本包括吐哈的Naomaohu煤（NMH）、准东的Shenhua煤（SH）和Yihua煤（YH）以及宁东的Meihuajing煤（MHJ）。
吐哈煤田的Naomaohu矿区（东经94°04′04′′–95°34′00′′，北纬43°41′45′′–44°04′48′′）位于新疆维吾尔自治区哈密北部（Dai和Finkelman，2018年）。
煤炭性质
表2显示了高碱煤和普通煤（MC煤）的近似分析和最终分析结果，表3显示了高碱煤灰和普通煤灰的化学组成。这四种高碱煤的灰分含量较低，YH和MHJ煤的灰分含量低于5%。此外，这些煤炭的挥发物含量很高（超过30%），表明其具有优异的燃烧反应性。这些煤炭的无机成分富含碱元素
矿物转化和灰沉积的控制机制
本研究的多尺度结果证实并扩展了高碱煤燃烧文献中广泛认可的机制，即当灰基质中的AAEM释放与Si-Al缓冲能力不足时，会促进硅不饱和铝硅酸盐（如霓石和钙铝榴石）和低熔点共晶体的形成，而不是稳定的高熔点相。虽然这一总体框架与之前的准东煤研究一致，但当前的工作提供了额外的见解
结论
这项多尺度研究为高碱煤燃烧过程中的矿物转化和灰沉积提供了宝贵的见解。结果表明，矿物转化受到AAEM释放与灰基质中Si-Al缓冲能力平衡的强烈影响。当Si和Al的可用性不足以完全固定释放的Na、Ca和Mg时，硅不饱和铝硅酸盐和低熔点共晶相更倾向于形成
作者贡献声明
Bowen Chen：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，验证，软件，方法论。Lipeng Wang：资源，方法论。Zhuo Xiong：可视化，监督。Yongchun Zhao：软件，资源，调查，概念化。Junying Zhang：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念化。
未引用的参考文献
Al-Otoom等人，2005
Liu等人，2022b
Wang等人，2020
Xiao等人，2023
Yang等人，2019
Zhang等人，2010
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（42030807）的支持。我们感谢华中科技大学分析测试中心在矿物学和形态学分析方面提供的帮助。同时，我们也衷心感谢编辑和审稿人的宝贵意见和建设性建议，这些意见显著提高了本手稿的质量。
