深调峰条件下高碱煤燃烧矿物转化行为与灰熔融特性的模拟研究

为解决深调峰工况下高碱煤燃烧引发的沾污结渣难题，研究人员通过热力学平衡计算（FactSage）结合等离子体灰化技术，模拟了四种新疆高碱煤（HSQ/SEH/JJM/WCW）在变负荷条件下的矿物相分布、元素迁移及灰熔融特性。研究发现：钠的气相（NaOH(g)）与渣相（Na2O(slag)）转化受局部还原气氛显著影响，铁/钙/镁渣相增加可降低灰黏度，未燃碳则逆向调控矿物转化。该研究为高碱煤宽负荷清洁燃烧提供了理论支撑。

　　

在能源结构转型的浪潮中，新疆作为国家煤电与可再生能源基地的战略地位日益凸显。然而，高碱煤这把"双刃剑"——虽具低硫高挥发分等优势，却因富含碱/碱土金属（AAEMs）引发严重的锅炉沾污（fouling）和结渣（slagging）问题。尤其当煤电机组承担深调峰任务时，负荷频繁波动导致炉温、过量空气系数剧烈变化，进一步加剧灰沉积风险。传统研究多聚焦静态工况，对变负荷下矿物转化与灰熔融行为的系统性认知仍属空白。

针对这一挑战，西安交通大学能源与动力工程学院的研究团队选取新疆四种典型高碱煤（HSQ/SEH/JJM/WCW），创新性地采用热力学平衡计算与等离子体灰化技术展开研究。通过FactSage软件模拟主燃区矿物相变，结合XRD/SEM等表征手段，揭示了变负荷三要素——终燃温度、局部燃烧气氛（O₂/CO₂比例）、未燃碳（unburned carbon）对灰行为的影响规律。论文发表于能源领域顶级期刊《Fuel》，为高碱煤宽负荷清洁燃烧提供了关键理论依据。

研究主要采用三大技术方法：1）等离子体灰化（<200°C）保留原始矿物组成，避免传统高温灰化的碱金属挥发；2）FactSage 8.2热力学数据库计算矿物平衡相；3）变负荷参数解耦为独立变量（温度梯度：800-1600°C，氧浓度梯度：0.1-21%）。

煤质特性影响
HSQ煤富含铁橄榄石（Fe₂SiO₄）形成稳定矿物相，而SEH煤的钠高温下主要呈气相（NaCl(g)）导致严重沾污。JJM/WCW煤灰熔融温度较高，但30%以上铁进入气相。

局部燃烧气氛效应
还原气氛减弱时：NaOH(g)和Na₂O(slag)生成增加，总气相钠减少；钙/镁/铁渣相（如Ca₂SiO₄）显著提升，灰黏度下降50%以上。

未燃碳的逆向调控
与过量空气系数不同，未燃碳通过还原作用抑制铁氧化物渣相生成，导致灰熔融温度升高10-15%。

该研究首次建立变负荷参数与灰行为的定量关联模型，指出深调峰工况需重点控制SEH煤的气相钠迁移，优化HSQ煤的铁渣相转化。对于高挥发分煤种（WCW），建议采用分级燃烧降低未燃碳干扰。这些发现为开发宽负荷自适应吹灰系统、优化配煤策略提供了科学依据，推动新疆亿吨级高碱煤资源的规模化清洁利用。