煤灰化學(xué)組成與煤灰熔融溫度關(guān)系的探討

張雷

摘 要：煤灰化學(xué)組成是影響煤灰熔融溫度的關(guān)鍵因素。煤灰中各化學(xué)組成隨著含量升高多數(shù)使煤灰熔融溫度先降低后升高，一些低含量煤灰化學(xué)組成對煤灰熔融溫度也有較大影響。增加煤質(zhì)數(shù)據(jù)積累量、全面考慮影響煤灰熔融溫度的因素、提高化學(xué)組成測量的精確度再利用多次優(yōu)化擬合可以獲得準(zhǔn)確度高、適用性好的回歸公式。

關(guān)鍵詞：煤灰；化學(xué)組成；煤灰熔融溫度

中圖分類號：TO53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 概述

煤灰是煤中礦物質(zhì)在較高溫度下氧化分解的產(chǎn)物，煤灰中化學(xué)組成是一項重要的煤質(zhì)數(shù)據(jù)。根據(jù)煤灰化學(xué)組成可以大致推測煤中礦物質(zhì)組成，初步判斷煤灰熔融性以及煤對燃燒室的腐蝕程度。因此，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)中不同工藝對煤灰熔融溫度的要求，進(jìn)行煤灰化學(xué)組成與煤灰熔融溫度的關(guān)系研究是十分必要的。

2 煤灰化學(xué)組成對煤灰熔融溫度的影響

煤灰化學(xué)組成常以各種氧化物的形式表示這些物質(zhì)的性質(zhì)、相對含量以及高溫條件下的相互作用決定了煤灰熔融特性。按照其自身性質(zhì)等屬于酸性氧化物，堿性氧化物，熔點較低。一般情況下酸性氧化物含量高，使得煤灰熔融溫度相對較高，但是每種氧化物對煤灰熔融溫度的影響卻不同。單煤灰熔融溫度也并非隨堿性氧化物的增多而單調(diào)降低。

2.1 酸性氧化物對煤灰熔融溫度的影響

2.1.1 SiO2

煤灰中SiO2含量一般在30%-70%范圍內(nèi)變化。煤灰熔融時起到一定程度的助熔作用。不考慮其他組成的影響，煤灰熔融溫度隨SiO2含量增多呈降低趨勢，但隨著SiO2含量的進(jìn)一步上升超過一定比例煤灰熔融溫度又有上升趨勢。若煤灰中堿性組分含量較高，SiO2的助熔作用更明顯。

煤灰中Fe2O3含量一般在5%-15%之間。對煤灰熔融溫度的影響與所處氣氛有關(guān)，氧化性氣氛中以Fe2O3形態(tài)存在，弱還原性氣氛中以Fe2+形式存在，無論以哪種形式存在均可以降低煤灰熔融溫度，但在弱還原性氣氛下助熔效果最顯著，因為Fe2+易于與SiO2形成低共熔點化合物，降低煤灰熔融溫度，而以Fe原子形態(tài)存在時對煤灰熔融溫度的影響界于前兩者之間。

MgO在煤灰中含量多低于3%。與多數(shù)氧化物一樣，隨著MgO含量的增高煤灰熔融溫度先降低后升高，煤灰中MgO含量一般較低，所以其在煤灰中多為助熔作用。至于煤灰中降低灰熔融溫度的MgO最佳含量還有待于進(jìn)一步測定。

煤灰中其他堿性氧化物如Na2O、K2O含量一般較低，主要起降低煤灰熔融溫度的作用，但若含量持續(xù)增加也會使煤灰熔融溫度開始回升。

Reiter F根據(jù)堿性氧化物對煤灰熔融溫度影響作用大小排序：CaO>MgO>Fe2O3>Na2O>K2O。根據(jù)大量的數(shù)據(jù)積累，對比可知煤灰中某些高含量的化學(xué)組成對煤灰熔融溫度的影響卻小于低含量的化學(xué)組成。

2.3 酸堿比對煤灰熔融溫度的影響

考慮到多種氧化物綜合作用的影響，煤灰熔融溫度的高低與煤灰化學(xué)組成酸堿比有密切關(guān)系。有研究指出煤灰單一化學(xué)組分與灰熔融溫度之間相關(guān)性系數(shù)不好，而酸堿比和硅鋁比與煤灰熔融溫度之間的關(guān)聯(lián)性大大升高。當(dāng)酸堿比小于1或大于3時，煤灰熔融溫度均多在1250℃以上。介于1～3時，灰熔融溫度變化較大，但多在1250℃以下。這是由于酸堿比小于1時，CaO含量占有絕對優(yōu)勢；酸堿比大于3時，SiO 含量占絕對優(yōu)勢。

2.4 硅鋁比對煤灰熔融溫度的影響

硅鋁的相對含量也會影響煤灰熔融溫度。硅鋁比增大，灰熔融溫度降低。雖然硅和鋁都有增高灰熔融溫度的作用，但含硅的氧化礦物和硅酸鹽礦物與其他組分會形成較鋁酸鹽共熔體熔融溫度還要低的低熔點共熔體，因此SiO2比Al2O3更能促使灰熔融溫度降低。

煤灰化學(xué)組成對煤灰熔融溫度有著決定性的影響，但是僅從定性角度考慮不能直接獲得灰熔融溫度相關(guān)參數(shù)，利用相圖、經(jīng)驗公式、熱力學(xué)軟件、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬等多種方法來獲得煤灰熔融溫度是目前國內(nèi)外學(xué)者研究的主要方向，其中通過煤灰化學(xué)組成回歸公式計算煤灰熔融溫度是較為簡單的方法。

3 煤灰化學(xué)組成預(yù)測煤灰熔融溫

通過對比分析公式⑴-⒀預(yù)測煤灰熔融溫度的誤差可知：煤種分類覆蓋范圍越大，經(jīng)驗公式的誤差相對越大，分析原因可能是：1）成煤環(huán)境、時期和地殼運(yùn)動的差異性導(dǎo)致公式的適用性也不同；2）以上公式僅利用煤灰中五種化學(xué)組成進(jìn)行回歸計算，因此也可能產(chǎn)生較大誤差；3）回歸方法、數(shù)據(jù)積累量也會導(dǎo)致公式不同的適用性。

郝麗芬等人基于⑴-⑷式的分類，針對近千個煤樣數(shù)據(jù)成分，利用多元回歸方法推導(dǎo)出利用五種化學(xué)組成并進(jìn)行驗證，計算值與實測值均成正偏差，且誤差均在50℃以內(nèi)。

戴愛軍等人利用逐步回歸方法對154組煤質(zhì)數(shù)據(jù)回歸煤灰化學(xué)組成酸堿比與煤灰熔融溫度的關(guān)系公式（相關(guān)系數(shù)達(dá)0.886）， 公式對部分煤種有較好的適用性，但由于僅進(jìn)行一次回歸，且僅適用于酸堿比在0-11之間的煤種，故該公式對煤種灰熔融溫度的計算并沒有廣泛的適用性。

牛迪任等人選取172組商業(yè)用煤分析數(shù)據(jù)利用分段擬合方法，回歸出煤灰中七種化學(xué)組成和酸堿比與煤灰軟化溫度、流動溫度關(guān)系的公式，并隨機(jī)選取煤種進(jìn)行驗證，實測值與計算值誤差在40℃左右，適用于酸堿比范圍為0.63-16.32之間的煤種。

李德俠利用181個煤樣數(shù)據(jù)經(jīng)二次線性擬合、逐步回歸、多次優(yōu)化循環(huán)獲得煤灰中9種化學(xué)組成（包括TiO2、Na2O、K2O、SO2）和酸堿比與流動溫度的關(guān)系公式（相關(guān)系數(shù)達(dá)0.934），酸堿比覆蓋0.336-16.625。且與Winegartner EC針對美國煤樣、Hakan針對澳大利亞煤樣以及戴愛軍針對中國煤樣模擬的經(jīng)驗公式的預(yù)測效果對比。結(jié)果表明利用美國及澳大利亞煤樣回歸的公式對其選用的煤種灰熔融溫度預(yù)測偏差小于50℃的煤樣僅占16%和21%，戴愛軍與李德俠的公式偏差小于50℃的煤樣比例為68%和83%。endprint

以上研究表明煤種樣本數(shù)據(jù)積累量、回歸方法、成煤地區(qū)差異以及化學(xué)組成數(shù)據(jù)的完整性均對回歸公式的適用性有較大影響，煤灰中低含量的化學(xué)組成也對煤灰熔融溫度有一定程度的影響，需要在擬合煤灰化學(xué)組成與熔融溫度關(guān)系公式時加以考慮。

結(jié)語

4.1 煤灰化學(xué)組成極為復(fù)雜，各種化學(xué)組成的相對含量對煤灰熔融溫度的影響也較為復(fù)雜。單一化學(xué)組成對煤灰熔融溫度的影響多是隨著含量升高，可使煤灰熔融溫度先降低再升高。而在多數(shù)煤灰中，煤灰中酸性氧化物含量一般高于它使煤灰熔融溫度降至最低的含量值，而堿性氧化物含量一般低于使煤灰熔融溫度降至最低的含量。深入研究煤灰熔融溫度極值所對應(yīng)煤灰化學(xué)組成含量，可以為有效控制煤灰熔融溫度，提高化工煤種的適用性提供理論依據(jù)。

4.2 煤灰化學(xué)組成對煤灰熔融溫度影響作用大小與含量無關(guān)，一些含量較小的化學(xué)組成（如MgO 、TiO2）對煤灰熔融溫度的影響作用反而強(qiáng)于某些高含量的化學(xué)組成。

4.3 不同地區(qū)煤種對回歸經(jīng)驗公式有更高的回歸要求，增加數(shù)據(jù)積累量、改進(jìn)回歸方法、全面考慮煤灰熔融溫度的影響因素并提高煤灰化學(xué)組成測定的精確度，可提高經(jīng)驗公式的適用性，對指導(dǎo)煤炭在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用意義重大。

參考文獻(xiàn)

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[26]Hakan Kahramanae，F(xiàn)rans Bos，Adrian Reifenstein. Application of a new ash fusion test to the odore coals[J]. Fuel. 1998，77（10）：1005-1011.endprint

以上研究表明煤種樣本數(shù)據(jù)積累量、回歸方法、成煤地區(qū)差異以及化學(xué)組成數(shù)據(jù)的完整性均對回歸公式的適用性有較大影響，煤灰中低含量的化學(xué)組成也對煤灰熔融溫度有一定程度的影響，需要在擬合煤灰化學(xué)組成與熔融溫度關(guān)系公式時加以考慮。

結(jié)語

4.1 煤灰化學(xué)組成極為復(fù)雜，各種化學(xué)組成的相對含量對煤灰熔融溫度的影響也較為復(fù)雜。單一化學(xué)組成對煤灰熔融溫度的影響多是隨著含量升高，可使煤灰熔融溫度先降低再升高。而在多數(shù)煤灰中，煤灰中酸性氧化物含量一般高于它使煤灰熔融溫度降至最低的含量值，而堿性氧化物含量一般低于使煤灰熔融溫度降至最低的含量。深入研究煤灰熔融溫度極值所對應(yīng)煤灰化學(xué)組成含量，可以為有效控制煤灰熔融溫度，提高化工煤種的適用性提供理論依據(jù)。

4.2 煤灰化學(xué)組成對煤灰熔融溫度影響作用大小與含量無關(guān)，一些含量較小的化學(xué)組成（如MgO 、TiO2）對煤灰熔融溫度的影響作用反而強(qiáng)于某些高含量的化學(xué)組成。

4.3 不同地區(qū)煤種對回歸經(jīng)驗公式有更高的回歸要求，增加數(shù)據(jù)積累量、改進(jìn)回歸方法、全面考慮煤灰熔融溫度的影響因素并提高煤灰化學(xué)組成測定的精確度，可提高經(jīng)驗公式的適用性，對指導(dǎo)煤炭在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用意義重大。

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以上研究表明煤種樣本數(shù)據(jù)積累量、回歸方法、成煤地區(qū)差異以及化學(xué)組成數(shù)據(jù)的完整性均對回歸公式的適用性有較大影響，煤灰中低含量的化學(xué)組成也對煤灰熔融溫度有一定程度的影響，需要在擬合煤灰化學(xué)組成與熔融溫度關(guān)系公式時加以考慮。

結(jié)語

4.1 煤灰化學(xué)組成極為復(fù)雜，各種化學(xué)組成的相對含量對煤灰熔融溫度的影響也較為復(fù)雜。單一化學(xué)組成對煤灰熔融溫度的影響多是隨著含量升高，可使煤灰熔融溫度先降低再升高。而在多數(shù)煤灰中，煤灰中酸性氧化物含量一般高于它使煤灰熔融溫度降至最低的含量值，而堿性氧化物含量一般低于使煤灰熔融溫度降至最低的含量。深入研究煤灰熔融溫度極值所對應(yīng)煤灰化學(xué)組成含量，可以為有效控制煤灰熔融溫度，提高化工煤種的適用性提供理論依據(jù)。

4.2 煤灰化學(xué)組成對煤灰熔融溫度影響作用大小與含量無關(guān)，一些含量較小的化學(xué)組成（如MgO 、TiO2）對煤灰熔融溫度的影響作用反而強(qiáng)于某些高含量的化學(xué)組成。

4.3 不同地區(qū)煤種對回歸經(jīng)驗公式有更高的回歸要求，增加數(shù)據(jù)積累量、改進(jìn)回歸方法、全面考慮煤灰熔融溫度的影響因素并提高煤灰化學(xué)組成測定的精確度，可提高經(jīng)驗公式的適用性，對指導(dǎo)煤炭在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用意義重大。

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