CaO助熔劑對朱仙莊煤灰熔融特性的影響

李沙沙，王思學(xué)

1.自旋電子與納米材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽宿州，234000；2.宿州學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，安徽宿州，234000

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CaO助熔劑對朱仙莊煤灰熔融特性的影響

李沙沙1,2，王思學(xué)1

1.自旋電子與納米材料安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽宿州，234000；2.宿州學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，安徽宿州，234000

選用皖北朱仙莊煤樣，利用微機(jī)灰熔點(diǎn)測定儀，研究加入不同質(zhì)量比的助熔劑CaO對朱仙莊煤灰熔融性的影響，結(jié)合XRD及FTIR對樣品的礦物組成進(jìn)行分析。結(jié)果表明，隨著助熔劑CaO添加量的增加，煤的灰熔點(diǎn)出現(xiàn)先降低后又升高的變化趨勢，當(dāng)CaO添加量在3.5%時(shí)可使煤樣灰熔點(diǎn)降至1256℃；對煤灰的XRD及FTIR圖譜分析得知，加入CaO助熔劑可生成低溫共熔物，從而降低了煤灰熔融溫度。

助熔劑；灰熔融特性；灰熔點(diǎn)

在煤氣化技術(shù)中，煤灰的熔融特性是氣化用煤的重要質(zhì)量指標(biāo)，也是煤灰性能的重要影響因素[1-4]。氣流床煤氣化技術(shù)要求液態(tài)排渣，即灰渣在熔融態(tài)時(shí)排出氣化爐，這就要求原煤灰在低溫下(<1500℃)即熔融為液態(tài)[5-7]，而皖北朱仙莊煤為高灰熔融性煤，其灰熔融溫度在1500℃以上，不能滿足煤氣化工藝的要求。為了降低朱仙莊煤的灰熔融溫度，可在煤樣中加入一定比例的助熔劑，以改變煤灰中的礦物組成，進(jìn)而降低煤樣的灰熔融溫度[8-9]。本實(shí)驗(yàn)選用鈣基助熔劑CaO，以不同質(zhì)量比向煤樣中添加，探討鈣基助熔劑CaO對朱仙莊煤樣灰熔融特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器

WDL-6E微機(jī)快速一體硫機(jī)(鶴壁市華泰儀器儀表有限公司)、HR-4A微機(jī)灰熔點(diǎn)測定儀、HTGT-3000自動工業(yè)分析儀和TQ-3A碳?xì)浞治鰞x、DX-2600 X射線衍射儀(丹東方圓儀器有限公司)，370FT-IR傅里葉紅外線光譜儀(上海山岳科學(xué)儀器有限公司)。

1.2 煤種及助熔劑選擇

選用皖北朱仙莊煤樣為實(shí)驗(yàn)煤樣，助熔劑選用分析純CaO(國藥集團(tuán))。

1.3 灰樣的制備

將助熔劑CaO按一定比例(質(zhì)量比：1.5%、2.5%、3%、3.5%、4.5%、5.5%、6%、7.5%)加入到朱仙莊煤樣中，充分混合均勻，制得添加助熔劑CaO的煤樣。將原煤樣和添加CaO的煤樣放入馬弗爐中在815℃下進(jìn)行灰化處理，取出后立即放入自來水中進(jìn)行快速冷卻，最后在105℃條件下于真空干燥箱中干燥36 h。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 煤樣的工業(yè)分析及化學(xué)成分分析

由表1及表2可知煤樣的灰熔點(diǎn)高于1500℃，這與朱仙莊煤樣中含有大量的SiO2有關(guān)，因此朱仙莊煤樣不適應(yīng)于液態(tài)排渣。

表1 煤樣的工業(yè)分析及灰熔點(diǎn)

2.2 助熔劑CaO對煤樣灰熔點(diǎn)的影響

煤樣在添加不同比例CaO助熔劑后制取煤灰，在弱還原性氣氛下，測得灰樣的變形溫度(DT)、軟化溫度(ST)、半球溫度(HT)、流動溫度(FT)的變化關(guān)系，見圖1。

表2 煤灰化學(xué)成分

由圖1分析可知，樣品的灰熔點(diǎn)隨CaO的含量增加，其灰熔點(diǎn)先降低后升高。當(dāng)CaO添加量為3.5%時(shí)，煤樣的DT、ST、HT和FT明顯下降，樣品的流動溫度(FT)降至1256℃，下降幅度在244℃以上；當(dāng)CaO添加量繼續(xù)增加時(shí)，樣品的灰熔融溫度反而上升。由此說明在煤樣中添加一定量的CaO可明顯降低原煤樣的灰熔融溫度，但是隨CaO添加量的增加，樣品的灰熔融溫度先下降后上升。這是由于添加少量的CaO可形成低溫共熔物，致使灰熔點(diǎn)降低；而當(dāng)CaO添加量過高時(shí)，易形成硅酸鈣，其熔融溫度達(dá)到2130℃，從而使體系熔融溫度上升。

圖1 灰熔點(diǎn)隨CaO添加量的變化關(guān)系圖

圖2 添加助熔劑CaO的煤灰紅外譜圖

2.3 助熔劑CaO對煤灰紅外譜圖的影響

添加助熔劑CaO煤灰的紅外譜圖見圖2。由圖2可知，在3450 cm-1和1100 cm-1兩處的峰強(qiáng)度出現(xiàn)先減弱后增強(qiáng)的變化，說明在煤灰熔融過程中助熔劑CaO與其他礦物形成了低溫共熔物；由于1100 cm-1處的特征峰變寬，說明中長石的含量在煤灰中逐漸增加，使煤灰的熔融溫度降低。

2.4 助熔劑CaO對煤灰XRD譜圖的影響

圖3是原煤灰的XRD分析圖譜，圖4是添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%CaO助熔劑的煤灰XRD分析圖譜。由圖3和圖4可以得出，在煤灰中添加CaO經(jīng)高溫煅燒后，灰樣的方鈣石和硬石膏的特征峰比較明顯。硬石膏經(jīng)高溫會分解生成CaO與SO3，CaO與煤灰中其他礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，CaO和石英的含量隨之逐漸減少，在助熔劑含量為3.5%的高溫環(huán)境中鈣黃長石生成，隨著溫度升高，鈣黃長石逐漸分解生成鈣長石及其特征峰和少量的莫來石特征峰。而鈣黃長石和鈣長石等含鈣化合物間易形成低溫共熔化合物，即添加鈣基助熔劑改變了原煤灰樣在高溫下的礦物組成，有效降低了煤灰的熔點(diǎn)。

圖3 朱仙莊煤灰的XRD圖

圖4 添加3.5%CaO煤灰的XRD圖

3 結(jié) 論

由于朱仙莊煤的灰熔融點(diǎn)較高(>1500 ℃)，不能用于液態(tài)排渣，向朱仙莊煤中添加鈣基助熔劑CaO可使朱仙莊煤灰熔點(diǎn)有效降低，且CaO添加量在3.5%時(shí)可使煤樣灰熔點(diǎn)降至1256℃。對煤灰的FTIR和XRD分析可知，加入CaO助熔劑可生成鈣黃長石和鈣長石，且在高溫條件下鈣黃長石和鈣長石等含鈣化合物間容易形成低溫共熔化合物，從而降低了煤灰熔融溫度。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.06.031

2016-01-25

安徽省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目“添加廢膠粉及稻殼對煤的熱解特性的影響”(201510379134)；宿州學(xué)院科研平臺開放課題項(xiàng)目“復(fù)合氧化鋅納米材料的制備及對染料廢水的光催化降解研究”(2014YKF47)；宿州學(xué)院產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目“混凝土高效減水劑的研究”(2015hx024)。

李沙沙(1984-)，女，安徽淮北人，碩士，助教，主要研究方向：煤化工及納米材料研究。

TQ536.1

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1673-2006(2016)06-0113-03