晉城無煙煤灰熔融溫度的助熔調(diào)控方法研究

楊 麗 超

(晉煤集團煤化工研究院，山西 晉城 048006)

0 引 言

煤灰熔融溫度指煤灰在加熱過程中逐漸熔化成液態(tài)時的溫度，其為氣化用煤的重要指標(biāo)之一[1]。煤炭氣化是潔凈、高效利用煤炭的主要途徑之一，為保證氣化效率，在氣流床煤氣化工藝中多采用液態(tài)排渣工藝[2]。固態(tài)排渣煤氣化技術(shù)一般要求灰熔融軟化溫度(ST)不低于1 250 ℃[3]，而液態(tài)排渣煤氣化技術(shù)則通常要求灰熔融流動溫度(FT)低于1 400 ℃。目前，液態(tài)排渣氣化技術(shù)由于煤種適用性廣、碳轉(zhuǎn)化率高、環(huán)境友好等優(yōu)勢，已成為煤氣化技術(shù)的發(fā)展方向[4-5]。

為此，國內(nèi)外學(xué)者對煤灰熔融溫度的影響因素及高灰熔融溫度煤如何用于液態(tài)排渣氣化技術(shù)開展了大量研究[6-12]。孔令學(xué)等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在一定量的添加范圍內(nèi)，隨著CaO添加量的增加，煤灰熔融溫度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。劉碩等[14]從礦物質(zhì)角度解釋氧化鈣的助熔原理，即CaO易與煤灰中其他組分形成鈣長石、鋁酸鈣及鈣黃石等低熔融礦物，從而使灰熔融溫度下降。白進等[15]研究表明，不同助熔劑的助熔效果為:MgO>CaO>Fe2O3。

晉城礦區(qū)煤炭累計探明儲量 44.81 億 t，主要賦存地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，共含煤7～16層，煤層總厚13.5m，其中主要可采煤層為3號和15號煤層，局部可采煤層為9號和2號煤層，可采煤層以無煙煤為主。晉城地區(qū)相關(guān)企業(yè)積極研發(fā)適應(yīng)晉城無煙煤的液態(tài)排渣氣化技術(shù)并已開展中試試驗。為研究晉城無煙煤用于液態(tài)排渣氣化工藝時灰熔融溫度的適應(yīng)性，以下分析煤灰化學(xué)組成及酸堿比等參數(shù)對晉城無煙煤灰熔融溫度的影響，在此基礎(chǔ)上研究助熔調(diào)控方法，以期為指導(dǎo)晉城無煙煤用于液態(tài)排渣氣化技術(shù)提供參考。

1 晉城無煙煤灰熔融溫度

煤灰熔融溫度的測定采用角錐法[16]:將煤灰和糊精混合，塑成一定大小的三角錐體，放在特殊的煤灰熔融溫度測定爐中以一定的升溫速度加熱，觀察并記錄灰錐變形情況及其4個特征溫度:變形溫度(DT)、軟化溫度(ST)、半球溫度(HT)和流動溫度(FT)，其中ST為固態(tài)排渣氣化技術(shù)考慮的指標(biāo)，F(xiàn)T為液態(tài)排渣氣化技術(shù)考慮的指標(biāo)。煤灰熔融溫度分級見表1[17]，晉城無煙煤的灰熔融溫度見表2。

表1 煤灰熔融溫度分級Table 1 Classification of coal ash melting temperature ℃

表2 晉城無煙煤的灰熔融溫度Table 2 Ash melting temperature of Jincheng anthracite

由表2可知:寺河3號、長平3號、趙莊3號、寺河二號井15號和胡底3號無煙煤的軟化溫度(ST):>1 350 ℃～1 500 ℃，均屬較高軟化溫度灰；其他礦井無煙煤的ST大于1 500 ℃，屬高軟化溫度灰。晉城所有礦井無煙煤的FT均大于1 500 ℃，屬高流動溫度灰，因此，晉城無煙煤適宜于固態(tài)排渣氣化技術(shù)，但不能直接用于較為先進的液態(tài)排渣氣化技術(shù)，因而需為晉城無煙煤的液態(tài)排渣氣化工業(yè)應(yīng)用進行前期的基礎(chǔ)研究。

2 影響灰熔融溫度的因素分析

煤灰熔融溫度的高低主要與煤灰化學(xué)組成相關(guān)。煤灰化學(xué)組成通常由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5等氧化物構(gòu)成，其中Al2O3、SiO2和TiO2等為酸性氧化物，CaO、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O為堿性氧化物。晉城10個礦區(qū)無煙煤灰化學(xué)成分見表3，晉城無煙煤主要煤灰組分、酸堿比與灰熔融溫度的對應(yīng)曲線如圖1所示?；跁x城無煙煤灰熔融溫度較高，許多指標(biāo)超過1 500 ℃檢測不到，只有DT的數(shù)據(jù)最全，故僅選擇DT相關(guān)數(shù)據(jù)制圖。

圖1 晉城無煙煤主要煤灰組分、酸堿比與灰熔融溫度的對應(yīng)曲線Fig.1 Curve of ash composition,acid-base ratio and ash melting temperature of Jincheng anthracite

由表3可見:

表3 晉城無煙煤灰化學(xué)成分Table 3 Ash composition of Jincheng anthracite

(1)晉城無煙煤煤灰主要成分為SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3，其中SiO2含量在46%～58%，平均值約為52%；Al2O3含量在27%～37%，平均值約為32%；CaO含量在2%～6%，平均值約為4%；Fe2O3含量在3%～7%，平均值約為5%。總之，煤灰主要成分SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3各自含量的高低對灰熔融溫度的影響不太明顯。

(2)酸性氧化物總含量在80%～90%，平均值約為85%；堿性氧化物總含量在9%～18%，平均值約為13.5%。酸性氧化物總含量的高低與灰熔融溫度的高低基本一致，即酸性氧化物含量越多，煤灰熔融溫度就越高，具有提高煤灰熔融溫度的作用；堿性氧化物總含量的高低與灰熔融溫度的高低總體相反，即堿性氧化物含量越多，煤灰熔融溫度就越低，具有降低煤灰熔融溫度的作用。

(3)酸性氧化物總含量與堿性氧化物總含量之比即為酸堿比。晉城無煙煤的酸堿比在4.6～7.6，平均值約為6.1。晉城無煙煤灰熔融溫度的變化曲線與酸堿比的變化曲線最為吻合，即灰熔融溫度隨著酸堿比的增加而增加。因此，晉城無煙煤灰組分中酸性氧化物含量高、堿性氧化物含量低、酸堿比高，此為導(dǎo)致灰熔融溫度高的原因，可通過增加煤灰中堿性氧化物的含量及降低酸堿比以調(diào)節(jié)降低其灰熔融溫度。

3 晉城無煙煤灰熔融溫度的調(diào)控

晉城無煙煤灰熔融溫度的調(diào)控一般采用添加堿性助熔劑或摻配高堿性氧化物含量煤的方式，分別介紹如下:

(1)添加堿性助熔劑。堿性助熔劑主要包括石灰石系列(有效成分CaO)、鐵系列(有效成分Fe2O3)、堿金屬系列(有效成分MgO、Na2O、K2O等)產(chǎn)品及一些復(fù)合堿性助熔劑產(chǎn)品，至于哪種助熔劑效果更好，目前尚無定論。但出于添加成本考慮，工業(yè)生產(chǎn)中一般選用石灰石。

晉城無煙煤添加石灰石后的灰熔融溫度數(shù)據(jù)見表4，對應(yīng)曲線圖如圖2所示。

圖2 晉城無煙煤添加石灰石后的灰熔融溫度Fig.2 Ash melting temperature of Jincheng anthracite after adding limestone

由圖2及表4可見，晉城無煙煤灰熔融溫度FT隨著石灰石的加入而有所降低，但當(dāng)石灰石添加量超過一定值時，灰熔融溫度則不再降低，由于CaO本身的熔融溫度很高(約2 600 ℃)，因此當(dāng)CaO出現(xiàn)過剩時，灰熔融溫度不降反增。晉城無煙煤添加石灰石的最優(yōu)比例約在2%～4%，此時灰熔融溫度FT最低(在1 400 ℃以下)，可滿足液態(tài)排渣氣化技術(shù)對煤灰熔融溫度的要求。

表4 晉城無煙煤添加石灰石后的灰熔融流動溫度Table 4 Ash melting temperature of Jincheng anthracite after adding limestone

(2)配煤。晉城長平礦3號無煙煤摻配神木煤后的灰熔融溫度見表5。其中，實驗用神木煤的主要指標(biāo)如下:水分(Mad)為3.11%，灰分(Ad)為6.65%，揮發(fā)分(Vd)為33.08%，固定碳(FCd)為60.27%，F(xiàn)T為1 173 ℃。

由表5可見:① 摻配神木煤40%、50%和60%時，長平礦3號無煙煤的灰熔融溫度FT依次可降低至1 376 ℃、1 362 ℃和1 364 ℃。② 神木煤灰成分中酸性氧化物含量低，堿性氧化物含量高，尤其是CaO含量高達20%以上，與長平煤摻配后有效地降低了煤灰中的酸堿比(酸堿比從6降低至3.5以下)，進而達到降低晉城無煙煤灰熔融溫度的效果。

表5 長平礦3號煤摻配神木煤后的煤灰組成和灰熔融溫度Table 5 Ash composition and ash melting temperature of Changping No.3 coal mixed with Shenmu Coal

4 結(jié) 語

煤灰熔融溫度是氣化用煤的重要指標(biāo)，晉城無煙煤灰熔融溫度普遍很高，F(xiàn)T均在1 500 ℃以上，適宜固態(tài)排渣氣化技術(shù)，但不能直接用于液態(tài)排渣氣化技術(shù)，故需對其進行工業(yè)應(yīng)用前期基礎(chǔ)研究。

原因分析:晉城無煙煤灰組分中高酸性氧化物含量(80%～90%)、低堿性氧化物含量(9%～18%)、高酸堿比(4.6～7.6)是導(dǎo)致灰熔融溫度高的原因。

調(diào)節(jié)方法:為了滿足液態(tài)排渣氣化技術(shù)對煤灰熔融溫度的要求，可通過增加煤灰中堿性氧化物的含量及降低酸堿比，以降低灰熔融溫度。常見方法有2種:① 添加石灰石，晉城無煙煤添加2%～4%的石灰石可將灰熔融溫度降低至1 400 ℃以下；② 晉城無煙煤摻配40%的高鈣神木煤即可將煤灰熔融溫度降低至1 400 ℃以下。

此外，晉煤集團晉開、天溪煤制油、華昱等公司的工業(yè)應(yīng)用也驗證了晉城無煙煤可通過添加石灰石或配煤的方式用于液態(tài)排渣氣流床氣化工藝。但若用于固定床液態(tài)排渣氣化技術(shù)，由于其使用塊煤為原料，爐內(nèi)物料添加石灰石后能否混勻及達到實驗室的預(yù)期效果還有待進一步工業(yè)驗證。