基于FactSage软件的煤灰熔融行为预测

0 引 言

煤灰熔融行为及黏温特性是煤炭气化和燃烧的重要指标[1],如燃煤电厂锅炉中的结渣、结灰问题[2],工业气化炉中的灰渣熔融及流动性问题[3]。另外煤灰的高温熔融特性还与近年来兴起的煤灰制备微晶玻璃、玻璃陶瓷等新型利用方式[4-5]直接相关。因此如何采取有效的技术手段快速准确预测煤灰在高温下的熔融行为及黏温特性是当前研究热点。目前已有多种灰熔融行为的经验判断方法,如角锥法[6]、热机械分析TMA法[7]、结渣经验指数[8]等。但由于煤种差异、煤炭燃烧利用工艺、参数等不同造成煤灰中矿物组成及煤灰成分复杂,上述方法均存在精确度不高、耗时长等问题。

FactSage是化学热力学领域中世界上完全集成数据库最大的计算系统之一,创立于2001年,是FACT-Win和ChemSage两个热力学软件包的结合[9]。FactSage热力学软件的本质是将热力学模型和计算原理与计算机强大的数值计算和处理功能相结合,对不同状态下体系热力学函数、热力学平衡状态相图、复杂体系多元多相平衡等进行评估和模拟计算,因此可对各种组成的灰渣在高温下的状态、性质等进行预测。廖敏等[10]研究高温条件下不同温度段煤灰熔融过程的物相变化规律时采用了Fact-Sage计算软件中的Equilib模型进行数值计算,结果表明计算结果与试验结果基本一致。王洋等[11]、麻栋等[12]、宋维健等[13]、刘硕等[14]研究结果均表明运用FactSage软件研究煤灰的熔融特性及黏温特性能获得满意的结果。

虽然已有诸多学者对FactSage软件在煤灰熔融行为方面的应用进行尝试,但基本都是作为辅助手段解释试验中的某些规律,而对该方法在煤灰熔融行为预测方面缺少系统性总结,未用于指导实际生产。本文通过总结文献,归纳了FactSage软件在预测煤灰熔融温度、绘制简化煤灰相图、预测黏温特性以及研究熔融特性影响规律等方面的应用现状及特点,以期为相关技术人员在设计优化煤炭燃烧、气化工艺以及拓宽煤灰利用途径等方面提供新思路。

1 煤灰熔融温度预测方法

1.1 主要预测方法对比

煤灰熔融温度能够为锅炉燃用煤种选择、燃烧温度调整提供参考,目前一般采用灰熔点测定仪(角锥法)测定,以流动温度FT来表示。但该方法只给出煤灰的平均特性,无法提供开始熔融或由熔融态发生结渣现象时的确切温度,以及特定温度下熔渣的性质。生产经验表明即使气化操作温度高于FT分析给出的流动温度时,仍会有一定比例的结渣现象发生。现阶段国内也有诸多预测煤灰熔融温度的方法,主要包括回归分析法[15]、反向传播(BP)神经网络法[16]、支持向量机法[17-18]和FactSage热力学软件法[19]等。各方法原理及优缺点见表1。

由回归分析法特别是利用最小二乘法拟合得到的预测模型相关系数较高,但适应性较差。BP神经网络法是一种非线性回归方法,具有很强的非线性映射能力,适应性较强,预测精度较高,但其映射过程必须建立在大量数据上。而支持向量法能够在数据不足或缺少理论模型时,有较好的应用结果,但该方法不能阐明煤灰熔融过程中的矿物演变规律,无法科学说明灰熔融特性变化机理[20]。

FactSage热力学软件法可计算煤灰熔融液相温度,预测已知温度和组成的煤灰液相分率、固相分率,得出特定矿物的反应,灰渣的形成和灰渣液相状态下的组成,并可根据平衡关系建立多相平衡图。因此,FactSage软件在煤灰熔融温度预测上具有准确性高、预测速度快等特点。

1.2 FactSage热力学软件法

FactSage热力学软件法精度高,可解释煤灰熔融过程中矿物的演变过程,进而优化煤灰熔融温度的评价标准,是一个预测灰熔融温度的非常可靠的方法。Li等[19]运用FactSage软件模拟计算了煤灰在高温下的液相含量以及煤灰在升温加热过程中矿物组成的转变。当混合组成中液相含量为75%～80%时,用该温度预测淮南灰的流动温度准确性较高。FactSage软件还可以很好地呈现并解释煤灰中矿物组成随温度的变化趋势,从机理上阐述煤灰熔融温度随组成变化的原因。

赵烁等[21]通过FactSage软件计算分析了CaO-Al2O3-SiO2-MgO四元体系夹杂物的熔点,结果表明温度低于1 500℃时,利用FactSage预测该四元夹杂物熔化温度可行,计算结果与热丝法所测结果的偏差小于4%。Dyk等[22]基于FactSage热力平衡仿真方法模拟了不同矿物类型及混合矿物对液-渣形成以及灰流动温度的影响,模拟结果与标准的灰熔融温度测试结果误差在30℃以内。

以毕节地区某电厂粉煤灰为研究对象,通过FactSage模拟得到了升温过程中各主要组分随温度的变化曲线,结果如图1所示。由图1可知,温度达到1 490℃时,粉煤灰液相含量已达100%,而实验室采用灰熔点测定仪得出粉煤灰的灰熔融温度为1 480℃,与FactSage结果一致,验证了factSage预测煤灰熔融温度的可靠性,这对于指导火电厂配煤掺烧,避免结渣具有重要作用。

2 FactSage在煤灰相图中的应用

2.1 常规相图

煤灰熔融特性与其对应组成的相平衡之间关系密切,乌晓江等[23]发现根据已知灰成分CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的比例关系,可通过确定相图上对应的主要矿物质来预测其灰熔融温度。在煤灰熔融特性研究中,可以用三元相图来简化,将煤灰描述成以酸性氧化物、碱性氧化物和酸性非助熔氧化物为顶点的正三角形相图,常用的有 SiO2-Al2O3-CaO、SiO2-Al2O3-FeO等。FactSage软件中的Phase Diagran模块是能够计算、画出和编辑单元、二元、三元或多元相图的通用程序,相图坐标轴可以为温度(T)、压力(P)、体积(V)、组成、活度、化学势等各种组合,因此利用FactSage软件可方便计算并得到相应的多元相图[24],并预测煤灰熔融特性。

吴萍[25]使用计算软件 Thermo-Calc和Fact-Sage评估了Al2O3-CaO-SiO2煤灰体系,发现2个软件模拟计算得到的相图存在明显差异,运用PANDAT软件以及试验验证了由FactSage计算得到的相图更加准确。根据该三元系相图可指导煤灰/渣提取氧化铝,原理为：在煤炭燃烧或煤气化高温炉的原料中准确按照煤灰组成来调控石灰石的投放量,使灰渣中的主要矿物组成为Ca2SiO4和CaO·Al2O3,5CaO·3Al2O3或12CaO·7Al2O3,这样可能用Na2CO3溶液提取出Al2O3,运用相图原理省去石灰烧结法的烧结工序,降低成本。

卢伟佳等[26]利用 FactSage软件通过 SiO2-CaO-MgO-Al2O3四元相图研究得出了改变炉渣碱度、Al2O3含量等条件对炉渣性能尤其是熔化性温度的变化规律,软件分析结果与试验结果有较好吻合,利用FactSage软件可帮助指导高炉造渣制度。

煤灰一般可简化为SiO2-CaO-Al2O3三元体系,利用FactSage可以绘制SiO2-CaO-Al2O3三元相图,通过相图又可方便得出煤灰在特定温度下的主要晶相组成。以华电集团6种典型煤灰为例(分别为毕节电厂粉煤灰BJFA、毕节电厂炉渣BJBA,乌达电厂粉煤灰WDFA、乌达电厂炉渣WDBA、巡检司电厂粉煤灰XJSFA、可门电厂粉煤灰 KMFA),利用FactSage计算得到SiO2-CaO-Al2O3三元相图,并通过相图预测煤灰在1 200℃时的主要矿物组成,结果见表2。将上述各煤灰在1 200℃下处理1 h,采用XRD分析其主要矿物组成(表2)。由表2可知,通过相图得到的晶相与XRD测试结果完全一致,这对于利用煤灰制备高温陶瓷材料等具有重要的指导意义。

2.2 广义相图

利用多种固体废弃物原料制备微晶玻璃的过程中,通常需要3种或3种以上的复杂组合,而在基础配方设计中多以CaO、SiO2、Al2O3、MgO等氧化物的三元或四元相图为参考,因此需要对原料进行简化,验证试验结果,增加工作量和不确定性。FactSage软件的相图模块中,不仅可进行常见物质组合的相图绘制,还包含了化学计量相组分相图的绘制,通过将复杂的化合物按化学计量组成一个独立组元然后参与相图的绘制,此种方法绘制出来的相图称为广义相图。樊涌等[27]以城市市政污泥焚烧灰渣和冶金高炉渣为主要原料,以SiO2为成分调整剂,采用FactSage热力学软件进行了广义相图的计算与绘制,并以此作为微晶玻璃最佳配方的寻找依据,获得了很好的可靠性。

3 预测黏温特性

目前灰渣黏度的测量仍以高温黏度计为主,该方法能客观准确反映出灰渣熔体在特定温度下的流体黏度,但该方法测量不仅耗时、耗力、花费较大,且不同实验室所测数据与黏度推荐值可能相差50%以上。

FactSage热力学计算可得到特定温度下的液-固含量以及晶相组成,结合合适的黏度预测模型便能获得特性温度下的黏度和结渣特性,FactSage软件中的Viscosity模块便是通过处理Equilib模块计算出的组成数据得到相应条件下的灰熔体黏度。

Kondratiev等[28]采用FactSage软件预测Al2O3-CaO-FeO-SiO2体系中固态和液态的比例,并建立准化学黏度模型系统预测灰的熔融态流动特性和渣的黏度,在此基础上建立了Roscoe方程评价固体悬浮对部分结晶熔渣黏度的影响,该模型在多组分和较宽温度范围内与试验数据具有较高的相关性。

张明军等[29]采用FactSage的Equilib和Viscosity模块,结合修正后的Einstein-Roscoe公式进行计算并预测黏度。首先采用Equilib模块计算各CaO-SiO2-MgO-Al2O3四元渣系在平衡条件下的液相线温度及在指定温度下(1 823 K)析出固相种类与析出量。液相低于1 823 K,则直接运用Viscosity模块进行黏度计算;若高于1 823 K,则使用Viscosity模块计算析出固相后均相渣的黏度,并结合修正后的Einstein-Roscoe公示进行黏度估算校正。在通过该方法获得高铝钢包渣CaO-SiO2-MgO-Al2O3体系的黏度计相图的基础上,研究了碱度(R=CaO/SiO2)、MgO和Al2O3含量对钢包渣黏度的影响,并结合炉渣结构理论作出了合理解释。

Jak等[30]运用FactSage热力学计算软件结合黏度模型,以Al-Ca-Fe-O-Si灰渣体系为例,预测煤气化工艺中复杂煤灰渣体系中的相平衡、液相温度、黏度等,获得了满意的结果,并借助FactSage热力学模拟预测MgO、NaO、K2O等对相平衡的影响。

许洁等[31]研究高钙山鑫煤灰熔融及黏温特性时采用了FactSage软件推断高温下不同温度区间煤灰熔融过程中的物相变化规律,并分析灰熔融温度及黏度变化机理,结果表明FactSage软件的计算结果与试验结果一致,说明FactSage软件可以用于研究煤灰的黏温特性。

4 煤灰熔融特性影响规律

FactSage软件可计算煤灰熔融液相温度,预测已知温度和组成的煤灰液相分率、固相分率,得出特定矿物反应,灰渣形成和灰渣液相状态下的组成,并可根据平衡关系建立多相平衡图。因此利用Fact-Sage软件可以研究煤灰熔融特性的影响规律。

田洪鹏等[32]以SiO2-Al2O3-Fe2O3-CaO-MgO五元组分模拟灰作为研究对象,应用FactSage软件模拟得到不同CaO含量时体系的液含量和主要矿物质含量,同时还通过 Phase Diagram模块得到CaO-SiO2-Al2O3三元系统相图。2种方式均可测量CaO含量对煤灰熔融特性的影响,通过与已有试验结果对比,认为应用FactSage预测CaO助熔剂对熔融特性的影响更合理。

王洋等[11]采用在真实煤灰中添加不同氧化物以及直接用氧化物配制人工合成灰2种方式,研究了不同灰成分对灰熔融特性的影响,并通过FactSage模拟软件对不同灰分的熔融过程进行热力学模拟。结果表明,增加NaO含量能有效降低灰熔融性温度;增加灰中MgO、CaO含量,灰熔融温度先降低后升高;增加灰中硫含量提高了灰熔融温度。熔融过程中的矿物质变化模拟结果说明可将FactSage直接作为不同灰成分对熔融特性影响规律的预测手段。

宋文佳等[3]分析了Shell气化炉中灰渣的物理性质,并利用灰熔点测定仪、高温黏度计测定了添加助溶剂CaO的灰渣熔融温度和黏度,利用热力学软件FactSage计算了灰渣在不同温度下的固液相相对含量及全液相温度。由热力学软件FactSage计算出的灰渣全液相温度和相对固含量随CaO含量的变化趋势与灰渣的熔融温度、黏度的变化趋势一致。

袁海平等[33]为了研究CaCO3在高温条件下对高灰熔融温度煤灰的熔融特性和黏温特性的影响,选取多种煤样为原料,首先利用灰熔点测定仪和高温黏度计对添加CaCO3的煤灰样品进行熔融特性和黏温特性测量,然后采用热力学计算软件Fact-Sage中的Phase Diagram和Equilib模块进行热力学平衡计算。数值计算结果与试验结果基本一致,因此化学热力学软件FactSage分析方法是研究灰渣熔融特性和黏温特性的有效方法。

5 结 语

FactSage数据库内容包括数千种纯物质数据库、评估及优化过的数百种金属溶液、氧化物液相与固相溶液、熔盐、合金溶液数据库等,因此FactSage软件对于多元多相平衡体系具有强大的计算功能,可用于煤灰体系熔融行为的计算。结合热力学数据库,FactSage可预测计算煤灰的熔融温度、黏温特性,可通过调整煤灰组成研究煤灰熔融特性的影响规律,这对掌握熔融机理,指导煤炭气化工艺、排渣方式、配煤掺烧等具有重要意义。另外根据Fact-Sage可得到煤灰的简化组成相图,制备微晶玻璃、玻璃纤维等,指导煤灰的资源化利用。

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