基于低场核磁共振的煤屑孔隙特性分析：一种新方法

《Fuel》：Pore characterization of coal cuttings based on low-field nuclear magnetic resonance: A new method

系统研究氧燃协同燃烧中半焦与稻壳、松木共燃时灰渣行为的多因素影响，通过固定床燃烧实验结合XRF/XRD/AFT/SEM-EDS分析，揭示生物质类型、掺混比例及燃烧气氛（O2/N2或O2/CO2）和温度（900–1350°C）对灰渣熔融、结渣、腐蚀及磨损倾向的作用机制，提出不同生物质需匹配适宜的半焦掺混比例以优化灰渣风险防控。

　　随着全球能源需求的持续增长以及应对环境挑战的紧迫性，探索可持续、清洁的能源来源和技术已成为首要任务。传统化石燃料的燃烧虽然长期支撑了能源供应，但也导致了不可再生资源的不断消耗，并加剧了环境污染，尤其是温室气体如二氧化碳的排放。因此，开发能够实现能源供应与环境保护之间平衡的替代能源策略显得尤为重要。半焦作为一种通过煤的热解产生的固态碳质材料，因其高碳含量和能量密度而受到关注，被认为是一种潜在的能源来源。然而，其燃烧特性和环境表现仍有待提升。相比之下，生物质是一种可再生且碳中性的能源来源，其与半焦的共燃烧被视为一种有前景的方法，既能利用半焦的高能量特性，又能借助生物质的低污染性质，同时弥补两者的不足。研究表明，将生物质与半焦混合可以显著改善半焦的燃烧行为，并在一定程度上优化生物质的灰特性。氧气燃烧技术，即使用氧气和回收的烟气混合物替代空气作为燃烧介质，长期以来在化石燃料发电的碳捕集与封存方面备受关注。半焦与生物质的氧气燃烧共燃烧有望带来一系列优势，包括提升燃烧性能和减少氮氧化物排放。然而，灰的行为（如结渣、积灰、腐蚀和磨损）复杂多变，受到燃料组成、燃烧气氛和燃烧温度等多种因素的影响。因此，理解这些特性对于优化燃烧过程和确保燃料的安全利用至关重要。

过去的研究已经广泛探讨了煤和生物质单独燃烧或共燃烧过程中的灰行为。已知生物质富含钾、钠、钙等碱金属，这些元素在低温阶段释放，并迅速与生物质中的其他无机成分发生反应，从而影响灰的化学组成。此外，高温阶段的碱金属反应可能促进低熔点共晶物的形成，进而导致灰的烧结，影响其流动性和沉积行为。然而，生物质与煤混合的效果并不一致，这取决于煤的内在组成、碱金属含量及其存在形式，以及煤与生物质之间的相互作用。例如，有研究指出，稻壳的混合使灰颗粒分布变粗，并在灰中富集石英和复杂的铝硅酸盐，这些粗颗粒有助于稀释沉积物并促进其脱落，从而抑制灰的积灰。另一项研究则发现，木材的混合降低了沉积物的生长，而玉米秸秆的混合则增强了灰的结渣倾向。

尽管已有诸多研究，但关于半焦与生物质在氧气燃烧共燃烧过程中灰行为的全面理解仍然有限，尤其是在生物质类型、混合比例、燃烧气氛和燃烧温度等多因素相互作用方面的研究较少。以往的研究大多集中在单一因素或传统燃烧气氛上，缺乏对这些变量如何共同影响灰转化机制及灰相关问题（如结渣、积灰、腐蚀和磨损）的系统评估。这种知识对于共燃烧系统的优化设计和可靠运行至关重要。

本研究旨在填补上述空白，系统地分析半焦与生物质在不同燃烧气氛（氧气/氮气和氧气/二氧化碳）及温度条件下的共燃烧过程中灰行为的多因素影响。通过固定床燃烧实验，并结合XRF/XRD/AFT/SEM-EDS等多种分析手段，我们深入探讨了灰的形成机制以及结渣、积灰、腐蚀和磨损的倾向。研究结果揭示了不同生物质与半焦混合后灰行为的显著差异。稻壳灰富含硅，表现出较强的结渣和积灰抗性。半焦的加入虽然略微增强了这些风险，但通过莫来石晶体的形成有效降低了磨损和腐蚀的倾向。相比之下，松木灰由于含有丰富的低熔点碱硅酸盐相，表现出较高的结渣、积灰和腐蚀倾向，而半焦的混合则显著缓解了这些问题，当半焦比例超过50%时，效果尤为明显。从20%氧气/80%氮气气氛过渡到20%氧气/80%二氧化碳气氛对灰行为的影响有限。然而，在氧气/二氧化碳气氛中提高氧气浓度会通过硫酸钙介导的共晶形成加剧结渣和积灰。氧气燃烧技术通过莫来石晶体的形成降低了稻壳半焦灰的磨损倾向，或通过软相的形成降低了松木半焦灰的结渣和积灰倾向。高温会通过增强灰的熔融特性加剧结渣和积灰，但同时通过更硬相的结晶提升了磨损抗性。关键的是，在低于1200°C的操作条件下，采用特定的生物质混合比例可以有效缓解灰相关问题。研究结果为优化氧气燃烧共燃烧过程提供了基本的理论依据，并为开发具有更高运行可靠性的可持续能源技术提供了重要信息。