铁富集准东煤燃烧沉积机制研究：0.4 MW中试装置揭示的熔融特性与微观机理

针对铁富集准东煤(ZDC)在∏∏型锅炉中引发的严重结渣问题，研究人员通过0.4 MWth中试装置，结合XRF/XRD/SEM-EDS多尺度表征与分子动力学模拟，揭示了Fe-Ca-Si低温共晶与Na2SO4/CaSO4硫酸盐污染的协同沉积机制，为高铁煤清洁利用提供关键理论支撑。

　　

在新疆准东煤田这片被誉为"能源宝库"的土地上，蕴藏着超过3900亿吨的煤炭资源，其中铁富集准东煤(Zhundong coal, ZDC)因其高挥发分、低灰分的特点成为火力发电的理想燃料。然而，这种煤炭中高达20%的Fe₂O₃含量却像一把双刃剑——在带来高热值的同时，也导致锅炉受热面出现严重的结渣问题。特别是在新型∏∏型锅炉中，高温过热器和再热器区域的熔渣沉积常常引发烟道堵塞，严重威胁机组安全运行。更棘手的是，现有针对钙富集型ZDC的研究结论无法直接套用于高铁煤种，而传统灰熔融特性测试标准(GB/T 219-2008)也因无法反映真实燃烧工况而失效。

针对这一技术瓶颈，某能源研究机构的研究团队Yongqiang Tian等人搭建了具有几何相似性的0.4 MW_th中试试验台，通过精确模拟660 MW机组锅炉的水平烟道工况，系统研究了铁富集ZDC在炉膛底部(BOF)、过热器和再热器三个关键区域的沉积行为。研究创新性地将宏观表征技术与分子动力学模拟相结合，首次揭示了高铁煤特有的双路径沉积机制。相关成果发表在能源领域顶级期刊《Fuel Processing Technology》上。

研究团队主要采用四大关键技术：1)基于雷诺数(Re)和努塞尔数(Nu)相似原理设计的0.4 MW_th中试燃烧系统；2)X射线荧光光谱(XRF)与X射线衍射(XRD)联用的元素-矿物组成分析；3)扫描电镜-能谱联用技术(SEM-EDS)的微观形貌表征；4)CaO-SiO₂-Al₂O₃-FeO四元体系的分子动力学模拟。所有煤样均取自新疆将军庙矿区，经低温干燥(<50°C)和氮气保护处理确保样品代表性。

【3.1 熔渣沉积行为】
通过对比BOF、过热器和再热器三处熔渣样品发现，在1000-1350°C的烟气温度(FGT)范围内均出现明显熔融现象。炉底渣呈现致密块状(FT 1258°C)，过热器熔渣形成黑色玻璃体(FT 1253°C)，而再热器沉积物则呈现疏松粉末状(FT 1286°C)。值得注意的是，所有样品熔融温度均低于GB标准测试值，证实传统方法对高铁煤失效。

【3.2 元素与矿物转化】
XRF分析显示BOF渣中Si-Al-Fe总量超80%，而再热器沉积物富含Ca-Mg-Na-S硫酸盐。XRD鉴定出Fe₃O₄、镁铁尖晶石(MgFe₂O₄)等特征矿物，特别是在中低温区(1000-1200°C)发现Na₃Fe(SO₄)₃(熔点896°C)的存在，揭示了硫对Fe-Na协同效应的促进作用。

【3.3 灰沉积元素分布】
SEM-EDS三维成像显示：过热器区域存在两种独立熔融机制——90%高纯度铁球与Si-Ca共晶液滴共存；再热器表面则观察到Na₂SO₄/CaSO₄对Fe₃O₄球体的包覆现象，证实硫酸盐在低温区的优先沉积特性。

【3.4 煤灰微观结构特征】
分子动力学径向分布函数(RDF)分析表明：温度升高会强化Ca-Si键合(键长<3.5?)，而结合能计算显示CaSO₄(-2.38 eV)和Na₂SO₄(-1.96 eV)在氧化膜表面的吸附能力显著强于Fe₃O₄。

研究最终提出高铁ZDC的"双路径沉积模型"：在高温区(>1200°C)，Fe²⁺通过降低熔渣粘度促进流动沉积，同时Si-Ca形成低温共晶；而在中低温区，硫元素引发Na-Fe-S-O复杂反应，生成低熔点硫酸盐复合物。该发现不仅解释了∏∏型锅炉水平烟道堵塞的根源，更提出三大解决方案：将炉膛出口FGT控制在1000°C以下、优化吹灰策略、开发高Al₂O₃/MgO复合添加剂。这项研究为破解"高铁煤利用困局"提供了关键理论依据，对保障我国富铁煤炭资源的高效清洁利用具有重要战略意义。