准东煤与高岭土共燃的灰沉积特性研究：温度梯度与掺混比例的协同调控机制

针对准东煤(Zhundong coal)高碱金属含量导致的严重结渣问题，研究人员在200 kW一维炉中系统探究了温度梯度(1300°C→1200°C→1100°C)与高岭土(KL,0-10%)掺混的协同效应。通过实时热通量监测发现，5-10% KL可有效抑制Na2SO4凝结和低温共晶物生成，使灰沉积结构疏松化，热通量稳定在0.68-0.78。研究为燃煤电站碱金属控制提供了重要实验依据。

　　

煤炭作为中国主导能源，其高效清洁利用始终面临重大挑战。新疆准东煤田因其储量丰富、挥发分高而备受关注，但高含量的碱金属及碱土金属(AAEM)在燃烧过程中会形成NaCl、NaOH等气相化合物，在换热表面冷凝沉积后引发严重结渣问题，不仅降低热效率，更可能造成锅炉停机的安全隐患。尽管电厂普遍采用高岭土(KL)添加剂缓解结渣，但温度梯度与KL掺混比例的协同作用机制及其对热通量的影响尚未明确。

为此，国内某研究机构的研究团队在200 kW一维炉实验系统中开展了系统研究。通过布置三个集成实时热通量监测的灰沉积探针，首次实现了温度场(1300°C→1200°C→1100°C)与KL比例(0-10%)耦合作用下的动态观测。研究发现，纯准东煤在高温区(>1250°C)形成熔融渣层，探针1、2的热通量分别降至0.70和0.79；而添加5-10% KL后，气相钠通过形成Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂等铝硅酸盐被化学固定，同时KL分解产生的Al₂O₃/SiO₂对钠起物理稀释作用，使灰沉积结构显著疏松化，热通量稳定在0.68-0.78区间。该成果发表于《Journal of the Energy Institute》，为燃煤电站碱金属控制提供了重要实验依据。

关键技术包括：1) 一维炉多温区探针部署；2) 热重-差热(TG-DTG)分析燃烧特性；3) X射线荧光光谱(XRF)测定灰成分；4) 扫描电镜-能谱(SEM-EDS)表征微观形貌；5) X射线衍射(XRD)鉴定物相组成。

【燃料特性】
J煤与HSQ煤的工业分析显示，KL添加使着火温度(T_i)延迟38-52°C，燃尽指数从2.73降至1.8，这是KL高灰分稀释可燃组分所致。

【共燃特性】
TG-DTG曲线揭示燃烧四阶段：水分挥发(100°C)、挥发分燃烧(300-550°C)、固定碳燃尽(550-800°C)及无机物氧化(>800°C)。KL添加使最大失重速率峰向高温偏移15-20°C。

【灰沉积行为】
Na₂SO₄冷凝是结渣的关键触发因素，而Na-Ca-Al-Si系低温共晶物加剧熔渣形成。5% KL即可抑制明显熔渣产生，10% KL时飞灰未燃碳含量增加12%。

【微观机制】
SEM显示KL使灰颗粒分布均匀化，XRD检测到钠长石(NaAlSi₃O₈)等高熔点相生成，证实KL通过化学吸附和物理稀释双重机制提升沉积层热稳定性。

该研究创新性地阐明温度梯度与KL添加的协同作用规律，证明5-10% KL掺混可有效缓解准东煤结渣，但需平衡燃烧性能下降的副作用。成果对指导燃煤电站添加剂优化配置具有重要工程价值，未来可结合CFD模拟进一步优化KL喷入位置与粒径分布。