煤灰熔融性對氣化用煤的影響

韓艷芳

摘要：氣化用煤中，煤灰熔融性是一個非常重要的指標(biāo)，而煤灰熔融性，是指隨著溫度的升高，煤灰變形、軟化和流動等具有物理特征狀態(tài)的性能的變化的特征。在高溫下，煤會發(fā)生一些列反應(yīng)，最顯眼的就是燃燒，而在煤進(jìn)行一系列的反應(yīng)（礦物質(zhì)在鍋爐中的動態(tài)變化）時，煤灰熔融性就是一個非常重要的影響因素，其次，也可以根據(jù)煤灰熔融性對鍋爐的結(jié)渣、沾污等狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測評估，所以，如果在煤質(zhì)確定的情況下，就需要對鍋爐的性能進(jìn)行設(shè)計、選擇，如果鍋爐的性能確定，則需要對煤的熔融性進(jìn)行檢測，確保工作的順利進(jìn)行。在國標(biāo)GB/T 219—2008文件中就有氣化煤和動力煤熔融性的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，結(jié)合實際狀況，將實驗過程中產(chǎn)生的問題，從熱電偶的精確度、煤灰成分、試驗氣氛和實驗者操作時的嚴(yán)謹(jǐn)程度幾個方面對實驗中的結(jié)果進(jìn)行分析，將煤灰熔融性對氣化用煤的影響進(jìn)行探討，并總結(jié)出有效的處理方案。對于煤炭在生產(chǎn)中采用的氣化技術(shù)進(jìn)行完善。其次，也應(yīng)該嚴(yán)格控制原煤流動溫度和氣化爐溫度，確保前者溫度低于后者溫度，并結(jié)合實驗室的研究，以實驗室氣化用煤樣的實驗結(jié)果為依據(jù)，觀察在添加不同助溶劑或添加配煤（不同融熔性的煤）后，所取煤樣中煤灰熔融性的變化。再不斷調(diào)整助熔劑的種類、添加量、摻配煤種及摻配比例，以此來達(dá)到理想的效果。因此，本文就煤樣中所含灰成分做了抽樣分析，探析了煤灰熔融性對氣化用煤的影響，望能對煤炭氣化做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：煤灰熔融性;氣化用煤;煤灰變形;軟化;流動;助熔劑;處理方案

前言

對工業(yè)用煤的評價中，煤灰的熔融性也是重要指標(biāo)之一，煤灰的熔融性也主要用于鍋爐的設(shè)計、選型。在實際的操作中，爐溫、進(jìn)煤時機(jī)也會由于煤灰的熔融性的不同而不同。一般情況下，氣化爐、鍋爐輕微結(jié)渣，氣化爐、鍋爐受熱面輕微積灰的溫度和煤灰的形成溫度對應(yīng)，氣化爐、鍋爐大量結(jié)渣，氣化爐、鍋爐內(nèi)量積灰的溫度和軟化溫度成對應(yīng);流量、溫度則同時與多方對應(yīng)，其中包含呈液態(tài)流動的爐中灰渣溫度、從熱力面上滴下溫度結(jié)渣和在爐柵上嚴(yán)重結(jié)渣的溫度三個部分。在上述的幾個特征溫度中，應(yīng)用較為廣泛的為軟化溫度，在轉(zhuǎn)化的過程中，溫度的變化也尤為明顯，因此，一般根據(jù)轉(zhuǎn)化溫度來選擇需要的設(shè)備、鍋爐、燃燒等，有的也根據(jù)設(shè)備的性能來選擇符合要求載荷的原煤料。對于氣化爐的選擇，一般都以原料煤的流動溫度為參考進(jìn)行選擇?，F(xiàn)在的技術(shù)條件下，較先進(jìn)的氣化爐，操作時的溫度會控制在1 400℃～1 600°C左右。還有一種Texeco和多元料漿氣化爐，操作時溫度一般控制在1 300℃～1 400℃。Texeco汽化爐在操作時溫度可能也會高出1400℃。因此，本文在討論煤灰熔融性對氣化用煤的影響時，以實驗的數(shù)據(jù)為參考，從各方面進(jìn)行探討，以求對其能在氣化用煤的選擇時能做出更好的選擇。

一、煤灰熔融性的測定

經(jīng)過對煤灰熔融性的概念進(jìn)行闡述，可以得知，煤灰具有一定的物理狀態(tài)，如：在高溫下變形、軟化、半球和流動等，隨著溫度的升高，煤灰也隨之出現(xiàn)一系列的變化，首先表現(xiàn)出的是變形，用（DT）表示，伴隨著溫度的升高，出現(xiàn)軟化，因此，時的溫度稱之為軟化溫度（ST）。溫度進(jìn)一步升高時變化為半球和流動，將此兩種狀態(tài)下的溫度稱之為半球溫度（HT）和流動溫度（FT）。根據(jù)上述的四種狀態(tài)溫度的變化，可以看出煤灰熔融性實際上是煤灰軟化時的溫度，因此，也可以將煤灰熔融性用ST代表。根據(jù)查閱GB/T219可以查得，測定煤灰熔融性的標(biāo)準(zhǔn)為在弱還原性氣氛下測得的結(jié)果。

1.1 煤灰熔融性和灰成分的關(guān)系

煤灰熔融性主要還是取決于煤灰的成分，煤灰的組成成分比較復(fù)雜，存在多種元素，如各種金屬元素：鈉、鎂、鋁、鐵、鈣。也包含有多種其他物質(zhì)，如硅、碳、硫等，其中，鈣、鐵、硫、碳元素幾種元素是煤中的主要組成成分，根據(jù)大量實驗表明，煤中僅硫的存在形式就有很多種，如。有機(jī)硫、無機(jī)硫、硫化物、硫鐵礦、石膏等。其次，煤礦中還存在碳酸鹽、硅酸鹽、石英、高嶺土等等。雖然在經(jīng)過高溫反應(yīng)后大部分化合物被分解。煤灰中也存在其它組分，因此，煤灰熔融性與煤灰的成分之間存在很大的關(guān)系，煤礦在經(jīng)過燃燒分解的產(chǎn)物中的元素和各種成分共同決定了煤灰的熔融性。在煤灰中，以氧化物居多，其中包含有SiO₂、AI₂O₃、Fe₂O₃、GaO、SO₃、MgO、TiO₂等九種氧化物。其中，SiO₂、AI₂O₃、Fe₂O₃、GaO對煤灰熔融性起著重要的作用，其他五種化合物含量低，熔點相對較低，因此，對煤灰熔融性影響較小，但是，當(dāng)SiO₂、AI₂O₃、Fe₂O₃、GaO幾種氧化物含量不高，而SO₃、MgO、TiO₂其中的一種化和物含量較多時，對其影響也相對較大，因此，在進(jìn)行實驗時，需要將各種化合物的含量進(jìn)行確認(rèn)。SiO₂、AI₂O₃的熔融溫度都比較高，在進(jìn)行燃燒時很難熔解，可以將其稱為難熔氧化物。由于這兩種氧化物的存在，煤灰熔融性也會增高。實驗表明，AI₂O₃只有在溫度超過2050℃的環(huán)境下才能分解，而當(dāng)下先進(jìn)的汽化爐溫度最只可高控制在1600℃左右，在汽化爐內(nèi)的AI₂O₃也就不能分解，因此，煤灰中的AI₂O₃含量越多，煤灰的熔融溫度也會越高。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得知，煤灰的熔融溫度在1300℃-1500℃之間時，AI₂O₃的含量大約占煤灰的30%-40%;煤灰的熔融溫度在大于1500℃時，AI₂O₃的含量大約占煤灰的40%以上;當(dāng)SiO₂的含量小于60%時，其能夠起到“助熔”作用。當(dāng)煤灰呈堿性時，SiO₂的“助熔”作用更加明顯，但SiO₂卻不能起到降低煤灰的熔融溫度的作用，與煤灰的熔融溫度關(guān)系不明顯。但是當(dāng)?shù)腟iO₂含量大于60%時，就會有明顯的增高灰熔融溫度的作用。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤灰中堿性氧化物含量升高時，煤灰的熔融溫度就會降低。在煤灰中，屬于堿性氧化物的有Fe₂O₃、GaO、MgO等，大部分堿性氧化物的熔點較低，所以，在一定程度上可以降低煤灰的熔融溫度。但是，部分堿性氧化物在煤灰的熔融溫度的作用還與所處的環(huán)境有關(guān)，比如Fe₂O₃的影響，灰渣所處的環(huán)境性質(zhì)不同，其影響也不同。但是從整體的效果來看，趨勢是降低灰熔融溫度。GaO、MgO對降低灰熔融溫度效果比較明顯，通常也容易形成短渣，但是，這兩種物質(zhì)的含量超過30%時，確不能降低灰熔融溫度，相反灰熔融溫度會有所升高。其次，煤灰中的Na₂O也能夠有效降低灰熔融溫度。此外，實驗環(huán)境也是影響煤灰熔融溫度的一個因素，在氧化性的環(huán)境下，煤灰熔融溫度較還原性環(huán)境下會高出很多，如果氣化爐中的還原性氣體如CO、H₂、CO較多，煤灰熔融溫度會相對較低，因此，建議在對煤灰熔融性進(jìn)行測定時用具有弱還原性的氣體。

二、實 驗

自然界存在的煤的種類較多，在實驗室進(jìn)行檢測時，可提供的選擇空間較大，比如無煙煤、褐煤、煙煤等。在進(jìn)行實驗時，應(yīng)該盡可能的選擇不同種類的煤樣，其中對高質(zhì)量和低質(zhì)量的煤樣也應(yīng)該進(jìn)行選擇。在進(jìn)行試驗時，高灰融熔性的煤在進(jìn)行檢測時可以適當(dāng)?shù)募尤胫蹌?，使其能夠適用液態(tài)排渣的氣化技術(shù)。在氣化的過程中的氣化條件也能應(yīng)該進(jìn)行控制。在低融熔性的煤進(jìn)行實驗時，在其中加入相對較高融熔性的煤作為配煤，本次試驗中，選取了22個樣煤，實驗過程中的評價指標(biāo)按照GB/T15規(guī)定執(zhí)行，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計。最后數(shù)據(jù)如表1，加助熔劑實驗組數(shù)據(jù)記錄在表2中、表3;加配煤實驗組數(shù)據(jù)記錄在表4中;

三、結(jié)果與討論

4.1 助熔劑對煤灰熔融溫度的影響

可以從表1中看出，SiO₂、AI₂O₃、Fe₂O₃是煤灰的主要組成成分。雖然也存在其它氧化物、化合物，但是含量都較少。通過上述表格的統(tǒng)計對比，煤灰中的SiO₂、AI₂O₃的含量越高，煤灰的熔融性也會越高。有的煤灰樣品中的SiO₂、AI₂O₃含量較少，但是對于CaO的含量超過35%的煤樣，煤灰的熔融性也較高，如表一中的10、11號樣品。表二中，煤樣中添加了CaO，可以看出，加了CaO的實驗組的煤灰熔融性都有所降低。在加入了助熔劑后，可以看到FT的值大幅度下降，但是在持續(xù)加入的過程中，F(xiàn)T的下降值會達(dá)到最高限度，再繼續(xù)隨著CaO的增加，F(xiàn)T有所升高，表中的6、7號數(shù)據(jù)便能夠得到有力的證明。當(dāng)CaO的量最大達(dá)到30%，個別在最高35%時，煤灰的熔融性一直呈現(xiàn)出下降的趨勢，在超過30%，個別超過35%時，煤灰的ST和FT都會呈現(xiàn)出突然升高的狀態(tài)。對表3進(jìn)行研究，可以得知，在加入SiO₂后，煤灰的熔融性也會出現(xiàn)降低的趨勢。在10、11號實驗組的數(shù)據(jù)中便可以觀察到。當(dāng)煤灰中的CaO的量高于35%，SiO₂、AI₂O₃的含量相對較低時，在煤灰樣品種加入SiO₂也可以起到助溶作用，但是當(dāng)SiO₂煤的量達(dá)到一定的程度時，煤灰的ST和FT都會突然升高。在01～08號煤灰樣中加入CaO，煤灰的FT也可以降至1400℃，通的對比，可以發(fā)現(xiàn)，幾組數(shù)據(jù)的變化趨勢也基本相似，但是煤灰的熔融溫度的降低幅度各不相同。同理，在09、10、11、18煤灰樣品中加入SiO₂后，煤灰的FT也可以降至1400℃，煤灰的熔融溫度的降低幅度也不同。綜上可以得出結(jié)論，不同的煤樣需要選擇不同的助熔劑，且助熔劑的種類徐亞根據(jù)煤灰的種類選擇。

4.2 配煤改變煤灰融熔性

對于高灰融熔性的煤樣，需要與低灰融熔性的煤樣按照一定的比例搭配。實驗中的數(shù)據(jù)可以看出，加入配煤后，煤灰的融熔性也會有所改變。其次，在配煤的過程中，需要滿足氣化工藝要求，搭配的比例也要適合。對于在實驗過程中，經(jīng)過配煤，灰熔融性仍然較高的，可以選擇通過加入助熔劑的方式來降低煤灰熔融性。但是，由于加助熔劑的方式能夠使灰分增加，因此，優(yōu)先考慮使用配煤的方式來煤灰熔融溫度。對于配煤后煤灰熔融溫度無明顯變化的，再使用加入一定量的助熔劑來降低煤灰熔融溫度。這一點在表四中可以看出。

結(jié)語

氣化用煤一般要從多個方面來分析，其中包括工業(yè)性、灰成分、煤灰熔融性等，其中煤灰熔融性分析是最重要的。因此，在煤灰熔融性的測定中，首先要明確煤灰熔融性和灰成分的關(guān)系，也要明確煤灰的組成成分的復(fù)雜性，其存在多種元素，如各種金屬元素：鈉、鎂、鋁、鐵、鈣、硅、碳、硫等。然后對各種元素、助熔劑、配煤對煤灰熔融溫度的影響進(jìn)行實驗驗證。當(dāng)下，科技快速發(fā)展，氣化技術(shù)也得到了改進(jìn)，一般都采用液態(tài)排渣技術(shù)，此種技術(shù)能夠保證在氣化過程中碳的高轉(zhuǎn)化率。氣化過程中，煤灰熔融性也是決定氣化爐的操作溫度的因素，在生產(chǎn)的過程中，配煤的效果較好，不僅能有效控制氣化爐的操作溫度，煤灰熔融溫度也不會很高，能夠維持在適宜的范圍之內(nèi)。此種方法能夠有效延長氣化爐的壽命，整個生產(chǎn)過程的危險性因素也會大大降低。但是，在配煤的過程中，需要滿足氣化工藝要求，配煤的比例也要適合。所以，在此過程中需要做到細(xì)致、嚴(yán)謹(jǐn)。對于在生產(chǎn)過程中，經(jīng)過配煤仍然灰熔融性較高的，可以選擇通過加入助熔劑的方式來降低煤灰熔融性。因此，要不斷創(chuàng)新改善煤灰熔融性的方法，以便在不同的排渣方式、不同煤種中更具備適應(yīng)性。

參考文獻(xiàn)

[1]王艷柳，張曉慧. 煤灰熔融性對氣化用煤的影響[J]. 煤質(zhì)技術(shù)，2009（4）：55-58.

[2]盧財，趙俊梅，榮令坤，賈鳳軍，王雄.煤灰成分與灰熔融性的關(guān)聯(lián)性分析[J].潔凈煤技術(shù)，2018，24（02）：74-78.

[3]王東旭，王洋，李文艷，肖海平.堿性氧化物對煤灰熔融特性影響的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2017，36（S1）：167-174.

[4]李婷. 氣化用煤配煤模型及動態(tài)配煤系統(tǒng)研究[D].西安科技大學(xué)，2017.

[5]武占強(qiáng). 配煤及助熔劑對Shell氣化爐煤灰的影響研究[D].鄭州大學(xué)，2018.

[6]修洪雨.CaO對煤灰主要成分熔融特性的影響I-J1.電站系統(tǒng)工程，2005（3）.

[7] 張德祥.煤灰中礦物的化學(xué)組成與灰熔融性的關(guān)系FJ].華東理工大學(xué)學(xué)報，2003（6）.

（作者單位：鄂爾多斯市神東檢測有限責(zé)任公司沙沙圪臺煤質(zhì)采制化室）