幾種典型固廢與神華煤摻燒的結(jié)渣特性

劉賀，劉建忠，陳建，王建斌，王明霞

（1 浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；2 浙江鳳登環(huán)保股份有限公司，浙江 金華 321100）

固體廢物是指在生產(chǎn)生活中產(chǎn)生的部分喪失或徹底喪失其原有價(jià)值的廢棄物質(zhì)。近些年，隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，我國的固體廢物產(chǎn)量也在迅猛增長，2019 年全國產(chǎn)生的工業(yè)固體廢物總量多達(dá)44.91 億噸，但綜合利用率相對(duì)較低，僅為53.34%。這些巨量的固體廢物若得不到及時(shí)有效的處置，不僅會(huì)直接或間接地引發(fā)一系列環(huán)境污染問題，對(duì)生態(tài)造成危害；更為嚴(yán)重的是威脅了人們的生命和健康。固體廢物雖然種類復(fù)雜多樣、成分不一，但都蘊(yùn)含著一定的物質(zhì)和能量，特別是工業(yè)有機(jī)固廢具有相當(dāng)?shù)臒嶂悼梢再Y源化利用。生物法、填埋法等傳統(tǒng)的固廢處理手段普遍存在周期較長、資源得不到利用以及易發(fā)生二次污染等技術(shù)缺點(diǎn)。

因此利用較為成熟的燃燒技術(shù)，將有熱值的固體廢物與煤等燃料進(jìn)行摻燒協(xié)同燃燒利用，將成為處理該類固體廢物的一種新型的治理手段，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)固廢無害化、資源化處理，但該技術(shù)目前往往存在燃燒裝置受熱面結(jié)渣的風(fēng)險(xiǎn)。國內(nèi)外針對(duì)工業(yè)固體廢物與煤摻燒燃燒過程結(jié)渣的相關(guān)研究較少，前人更多側(cè)重于針對(duì)單一煤種燃燒、煤摻燒生物質(zhì)以及城市生活垃圾焚燒等結(jié)渣情況展開研究。

在單一煤種燃燒結(jié)渣機(jī)理方面，研究表明，堿性礦物質(zhì)通過降低煤灰的熔融性溫度并具有助熔作用來影響結(jié)渣，酸性氧化物可以提高其灰熔點(diǎn)抑制結(jié)渣的形成。Wang 等、Li 等對(duì)準(zhǔn)東煤灰沾污機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)堿金屬和堿土金屬元素（AAEM）含量是影響煤灰結(jié)渣的重要因素。Chudnovsky、Gao等對(duì)美國褐煤和維多利亞褐煤的燃燒研究，也得出類似的結(jié)論。

在生物質(zhì)以及生活垃圾的資源化摻燒利用方面。馬煒晨研究發(fā)現(xiàn)煤中摻燒的玉米秸稈和稻殼促進(jìn)了堿金屬礦物質(zhì)和鈣硅鋁系低熔共晶體的形成，加重了煤灰的結(jié)渣燒結(jié)。Otsuka 等研究發(fā)現(xiàn)，在城市垃圾焚燒爐的受熱面上存在結(jié)渣和腐蝕管壁現(xiàn)象。滕葉研究發(fā)現(xiàn)溫度和爐膛出口氧氣量是影響鍋爐沾污結(jié)渣的重要因素。林曉青等在小試規(guī)模煤粉爐中，對(duì)城市生活垃圾與煤粉協(xié)同混燒進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在燃煤中添加少量比例的生活垃圾是可行的，對(duì)結(jié)渣影響甚微。Wu 等對(duì)摻燒生活垃圾的灰渣進(jìn)行微量元素的追溯，發(fā)現(xiàn)摻燒之后的灰渣中Ca和Fe元素含量增加明顯，而Al、Ti等元素低于煤灰。Hossain 等研究微藻和污水污泥與亞煙煤組合燃料的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)燃燒后存有大量的灰渣。莊修政等研究城市的水熱污泥與煤協(xié)同混燃過程，發(fā)現(xiàn)摻燒適當(dāng)比例的水熱污泥可以很好地增強(qiáng)煤的燃燒效果。但有研究表明，煤中摻燒污泥后，高溫條件下堿性氧化物之間容易形成低溫共熔體，導(dǎo)致混合燃料的灰熔點(diǎn)有所降低，所以要控制合適的污泥摻燒比例。

現(xiàn)階段國內(nèi)外對(duì)煤混燒的結(jié)渣情況研究主要局限于傳統(tǒng)的生活垃圾、污泥以及生物質(zhì)等方向，但是針對(duì)活性炭、藥渣等這類工業(yè)有機(jī)固廢，前人更多地側(cè)重于生物化學(xué)、填埋等傳統(tǒng)治理技術(shù)領(lǐng)域的研究，通過與煤混燒協(xié)同處置該類有機(jī)固廢卻鮮有人研究，其結(jié)渣特性更是未有人涉足。因此，本文針對(duì)幾種較為典型的工業(yè)有機(jī)固廢，通過摻燒一定比例的神華煤形成混合燃料，在實(shí)驗(yàn)室氣氛爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)條件下，研究煤與固廢協(xié)同燃燒后的灰渣特性，分析其結(jié)渣機(jī)理和影響因素，探究工業(yè)有機(jī)固廢與煤混燒的可行性，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，進(jìn)而為工業(yè)的規(guī)?；瘧?yīng)用提供參考。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 原料煤

本實(shí)驗(yàn)使用的神華煤（標(biāo)記為SH），來自陜西榆林神木某煤礦，其煤質(zhì)特性分析結(jié)果見表1。該煤種屬于高熱值、低灰分、低硫分的煙煤，灰中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)近55%的二氧化硅，氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到18.99%，堿金屬元素鈉、鉀等質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別在1%左右。

表1 神華煤的煤質(zhì)特性分析

1.1.2 固體廢物

本實(shí)驗(yàn)使用的三種工業(yè)有機(jī)固體廢物來自浙江某固體廢物處理環(huán)保公司，分別為大洋活性炭（標(biāo)記為HXT）、交通樹脂（標(biāo)記為SZ）以及金康藥渣（標(biāo)記為YZ）。這三種固廢來源于污水治理過程中、制藥生產(chǎn)過程中和化工品合成過程中產(chǎn)生的危險(xiǎn)有機(jī)固廢，具有一定的代表性。參照煤樣的特性分析方法，三種固廢特性分析結(jié)果見表2。

由表2 可見，三種固廢成分與煤差距較為明顯。與煤相比，活性炭含有更高的NaO（3.49%）、CaO（15.15%）等堿性氧化物；而樹脂含有很低的鈉鉀含量（僅為0.61%）；藥渣中的AAEM 高達(dá)43.98%。由于活性炭含有非常高的固定碳（達(dá)到75.21%），其熱值與神華煤較為接近；而藥渣和樹脂的高揮發(fā)分特性致使二者也含有較高的發(fā)熱量，甚至優(yōu)于部分褐煤。因此，本實(shí)驗(yàn)采用的三種固廢均具有很高的資源利用價(jià)值。

表2 固廢的特性分析

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與過程

實(shí)驗(yàn)選取神華煤與大洋活性炭/交通樹脂/金康藥渣摻燒形成混合燃料為研究對(duì)象，將原料在空氣干燥箱中105℃下烘干2h使其充分干燥，然后對(duì)原煤和固廢破碎研磨并篩分至200 目（粒徑75μm）以下，保持原煤和固廢的粒度分布較為接近，可避免粒度的差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成誤差影響，樣品均密封存儲(chǔ)。利用恒速數(shù)顯攪拌機(jī)，以煤的質(zhì)量為基準(zhǔn)，配制成含有固廢5%、10%、20%、50%等不同質(zhì)量比例的混合燃料，恒速1000r/min 下充分?jǐn)嚢?0min，使之摻燒充分，形成均質(zhì)混合燃料。然后將混合燃料平鋪在尺寸為90mm×60mm 的瓷舟中，放置于由南京博蘊(yùn)通儀器科技有限公司生產(chǎn)的GF 1400 型氣氛爐中，采用前后進(jìn)氣、頂部出氣，保持氣氛穩(wěn)定。設(shè)置升溫速率500℃以前為10℃/min，高于500℃為5℃/min，在目標(biāo)溫度815℃、1150℃、1250℃及N∶O=79∶21 的空氣氛圍中燃燒1h 后迅速取出，得到混合燃料的灰渣用于研究分析。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 GF1400氣氛爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 分析方法

將配制的煤與固廢混合燃料在815℃下標(biāo)準(zhǔn)灰化，采用封碳法在弱還原性氣氛下，利用5E?AFⅢ智能型灰熔融測(cè)試儀對(duì)灰樣進(jìn)行灰熔點(diǎn)測(cè)試，獲得不同摻燒比例的熔融性溫度。將氣氛爐中目標(biāo)溫度下所得的煤灰進(jìn)行表觀形貌分析，利用荷蘭PANalytical 公司生產(chǎn)的型號(hào)為PANalytical X'Pert PRO的X射線衍射儀，檢測(cè)其物相組分。測(cè)試條件為：連續(xù)型掃描范圍5°～80°(2)、管電壓40kV、管電流40mA、陽極材料Cu 靶、掃描速度5°/min。利用美國FEI 公司生產(chǎn)的型號(hào)為SIRION?100 的熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)渣樣進(jìn)行掃描電鏡（SEM）+X 射線能譜儀（EDS）表征測(cè)試，分析其結(jié)渣的微觀機(jī)理以及晶相組成元素。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔融性溫度分析

將神華煤、三種工業(yè)有機(jī)固廢、固廢與煤混合燃料（固廢摻燒質(zhì)量比例分別為5%、10%、20%、35%、50%），采用標(biāo)準(zhǔn)灰化法對(duì)各組燃料的灰熔點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組數(shù)據(jù)均由重復(fù)實(shí)驗(yàn)三次取平均值所得，其結(jié)果如圖2所示。

由圖2(a)可見，同神華煤相比，樹脂的變形溫度（DT）、軟化溫度（ST）、半球溫度（HT）和流動(dòng)溫度（FT）均較高，分別高出了32℃、139℃、127℃和112℃。活性炭和藥渣的特征溫度較為接近，但都明顯低于神華煤，四種溫度分別低了100℃、150℃、150℃和160℃左右。固廢本身的熔融性溫度明顯偏高或者偏低，會(huì)直接影響到混合燃料的結(jié)渣傾向，熔融性溫度越低，灰的結(jié)渣傾向越嚴(yán)重，其中ST 常用來表征和預(yù)測(cè)煤灰結(jié)渣傾向的重要指標(biāo)。圖2(b)～(d)分別為神華煤中摻燒相應(yīng)比例的活性炭、樹脂和藥渣的熔融性溫度變化。結(jié)果顯示，神華煤中摻燒活性炭之后，DT、ST、HT和FT 均有所降低，且隨著摻燒比例的增加，特征溫度降低有加劇的趨勢(shì)，這一現(xiàn)象在摻燒比例20%以前尤為顯著，大于20%后仍有所緩慢降低。而摻燒樹脂后，其結(jié)果則相反，各項(xiàng)溫度隨著摻燒比例的增加，逐漸增高并呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢(shì)。摻燒藥渣對(duì)煤灰的灰熔點(diǎn)影響結(jié)果與活性炭類似，各特征溫度隨著摻燒比例的遞增而降低，呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的態(tài)勢(shì)。與摻燒活性炭有所差別的是，在摻燒比例從0到5%的范圍內(nèi)，灰熔點(diǎn)發(fā)生了較為明顯的遞減趨勢(shì)，DT、ST、HT 和FT 分別減少了28℃、41℃、38℃和36℃，而活性炭中發(fā)生“驟降”現(xiàn)象在10%～20%的摻燒比例內(nèi)，煤中摻入一定比例的活性炭和藥渣，會(huì)影響燃燒后煤灰中的成分組成，AAEM含量增加，使熔融性溫度有所降低，這種降低并非是線性的，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較為明顯降低溫度的摻燒比例點(diǎn)；而藥渣中含有更高的AAEM含量和極低的酸性氧化物氧化鋁（見表2），所以摻燒5%藥渣溫度降低便很顯著，可見摻燒少量藥渣對(duì)煤灰的熔融性溫度影響十分明顯。

圖2 煤與固廢以及不同固廢摻燒比例對(duì)灰熔融特征溫度的影響

2.2 表觀形貌分析

2.2.1 燃燒溫度對(duì)結(jié)渣傾向的影響

圖3為不同溫度下各種試樣的燃燒表觀結(jié)渣形貌。由圖3(a)可見，在815℃下由于神華煤及三種固廢的燃燒均比較充分，各種灰樣松散分布，不存在結(jié)渣熔融等情況，灰樣容易從瓷舟中刮除，對(duì)壁面無沾污痕跡。其中，活性炭燃燒之后的灰顆粒非常纖細(xì)且柔軟；樹脂的灰顆粒則比較大且粗糙一些；藥渣的灰樣最為蓬松，同等質(zhì)量下的燒失量最大，這與藥渣具有更低的灰分有關(guān)。由圖3(b)可見，隨著溫度的升高，原料的形貌和顏色發(fā)生了改變，灰顆粒之間出現(xiàn)了明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。在1150℃下，神華煤和樹脂保持了較好的非結(jié)渣特性，而活性炭和藥渣則出現(xiàn)了明顯的結(jié)渣；活性炭形成長條狀、球狀的團(tuán)聚熔融物，質(zhì)硬且易碎；藥渣燒結(jié)成白色的晶體物質(zhì)，黏附在瓷舟上，難以清除。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于三種固廢中樹脂具有更高的灰熔點(diǎn)，而活性炭和藥渣的灰熔點(diǎn)較低，1150℃已經(jīng)大于二者的DT和ST，甚至略高于HT。如圖3(c)當(dāng)溫度升至1250℃時(shí)，神華煤的煤灰出現(xiàn)了明顯的結(jié)渣情況；活性炭的結(jié)渣熔融更為嚴(yán)重，渣樣呈灰黑色的半球狀黏附在瓷舟表面，刮除異常困難；藥渣仍然呈明顯的熔化狀態(tài)，此溫度已經(jīng)高于原料的ST，此外，在該溫度下，樹脂灰渣出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，初顯熔融。結(jié)渣形貌隨溫度演變的過程如圖4所示。

圖3 不同燃燒溫度條件下原料的結(jié)渣表觀形貌結(jié)果

圖4 結(jié)渣形貌隨溫度演變示意圖

2.2.2 不同固廢及摻燒比例對(duì)結(jié)渣傾向的影響

在1150℃下，不同固廢及其摻燒比例對(duì)煤灰形貌的影響如圖5所示。由圖可見，隨著固廢摻燒比例的不斷增大，煤灰的結(jié)渣傾向變化顯著，經(jīng)歷了由輕微結(jié)渣（微黏聚渣，灰粒出現(xiàn)黏聚，容易刮除，灰大部分呈疏松塊狀）、明顯結(jié)渣（黏聚渣，灰渣黏聚加重，灰樣變得堅(jiān)硬，但仍能刮除）最終演變?yōu)閲?yán)重的熔融性結(jié)渣（完全熔融態(tài)、灰渣無法從瓷舟表面刮除）的趨勢(shì)。摻燒5%活性炭之后，煤灰開始出現(xiàn)輕微的結(jié)渣傾向；摻燒10%之后，結(jié)渣開始嚴(yán)重；比例增大到20%之后，結(jié)渣程度已十分嚴(yán)重，都是熔融態(tài)結(jié)渣。由于樹脂本身具有較高的灰熔點(diǎn)和較低的Na、K 堿金屬含量，摻燒一定比例的樹脂后，煤灰的抗結(jié)渣性得到強(qiáng)化。在摻燒比例低于20%時(shí)，煤灰未出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象，均體現(xiàn)出較好的蓬松稀疏的形貌特點(diǎn)；摻燒50%后，灰樣開始才出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，但該團(tuán)聚物也容易徹底刮除而不損傷瓷舟本體，未出現(xiàn)熔融態(tài)。摻燒藥渣后的煤灰，總體上與摻燒活性炭的變化規(guī)律類似，但摻燒5%藥渣之后，煤灰就出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的結(jié)渣團(tuán)聚現(xiàn)象，比例增長到10%以后，結(jié)渣愈發(fā)嚴(yán)重，最終熔融在瓷舟表面，形成不規(guī)則的灰黑色熔融物。其原因一方面是藥渣具有更低的軟化溫度，與上面所述的煤灰熔融性溫度變化規(guī)律相一致；另一方面，藥渣具有更高的堿金屬氧化物含量（如表2 中NaO+KO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)15%左右），富含Na、K的堿金屬礦物質(zhì)更易與高熔點(diǎn)物質(zhì)形成低溫共熔體，使結(jié)渣進(jìn)一步惡化，其促進(jìn)結(jié)渣的作用機(jī)理如圖6所示。

圖5 1150℃下不同固廢及摻燒比例下的煤灰結(jié)渣表觀形貌

圖6 摻燒固廢后促進(jìn)結(jié)渣示意圖

2.3 XRD分析

神華煤及摻燒固廢后在高溫下形成煤灰的X射線衍射圖譜如圖7 所示。結(jié)果表明，815℃下煤灰中主要礦物成分有石英（SiO）、高嶺石（AlO·2SiO·2HO）、硬石膏（CaSO）、赤鐵礦（FeO）、方解石（CaCO），還有少量的方鎂石（MgO）和霞石（NaAlSiO）；在1150℃時(shí)，煤灰中含有較多的石英、赤鐵礦外，還有大量的莫來石（3AlO·2SiO）、鈣長石（CaAlSiO）和少部分透輝石（CaMgSiO）、偏高嶺石（AlO·2SiO）。溫度不同，煤灰中的主要礦物質(zhì)種類存在明顯的差異，說明不同組分之間在高溫下發(fā)生了反應(yīng)。硬石膏在1000℃前較為穩(wěn)定存在，之后會(huì)逐漸分解成CaO并產(chǎn)生SO，而方解石在950℃左右便開始分解形成CaO 和CO，這兩個(gè)分解反應(yīng)在1150℃時(shí)基本進(jìn)行完全，生成的CaO一部分與方鎂石和石英生成了透輝石，另一部分與煤灰中游離的AlO、石英發(fā)生反應(yīng)生成鈣長石。高嶺石高溫下脫水衍變成偏高嶺石，該物質(zhì)在高溫下難以穩(wěn)定存在，在900℃左右開始進(jìn)一步分解，生成AlO和石英，二者在高溫下易重新結(jié)晶生成高熔點(diǎn)礦物質(zhì)莫來石（熔點(diǎn)為1850℃），莫來石和該反應(yīng)中析出的SiO一起構(gòu)成難熔的骨架，使煤灰在該溫度下未出現(xiàn)熔融。該過程中存在的化學(xué)反應(yīng)如式(1)～式(7)。

圖7(b)為神華煤中摻燒不同比例的活性炭在1150℃下煤灰的X射線衍射圖譜。由圖可見煤灰中礦物質(zhì)組分發(fā)生了明顯的變化，石英、偏高嶺石等物質(zhì)含量下降，出現(xiàn)大量的低熔點(diǎn)物質(zhì)，如鈉/鉀長石（Na/KAlSiO，熔點(diǎn)為1118℃）、霞石（熔點(diǎn)在1150℃左右）和鈣長石，而且隨著摻燒比例的增加，該類物質(zhì)的衍射峰增強(qiáng)，反應(yīng)生成的低熔點(diǎn)物質(zhì)愈多。主要源于活性炭中含有較高的鈉、鉀和鈣等元素，顯著增加了煤灰中的堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物的含量。Na和K離子勢(shì)較低，其氧化物比較活潑，高溫下NaO 易與偏高嶺石熔融反應(yīng)生成霞石；Na/KO 易與游離的SiO和AlO結(jié)合形成鈉/鉀長石；此外，CaO 易與神華煤灰中的高熔點(diǎn)物質(zhì)莫來石反應(yīng)生成熔點(diǎn)相對(duì)較低的鈣長石（熔點(diǎn)為1553℃）；鈣長石與霞石、鈉長石等低熔點(diǎn)物質(zhì)進(jìn)一步形成熔點(diǎn)更低的低溫共熔體，顯著降低了煤灰的熔點(diǎn)。相關(guān)化學(xué)反應(yīng)如式(8)～式(11)。

圖7 神華煤在不同固廢及不同摻燒比例下的X射線衍射圖譜

神華煤中摻燒不同比例的樹脂在1150℃煤灰的X 射線衍射圖譜如圖7(c)所示。由圖可見不同比例下的煤灰中礦物質(zhì)種類變化不大，煤灰中檢測(cè)到較多的莫來石衍射峰，原因在于樹脂中鈉鉀含量極少但酸性氧化物AlO含量較高，高溫下與偏高嶺石反應(yīng)生成熔點(diǎn)較高的莫來石，莫來石和AlO（熔點(diǎn)為2054℃）、石英（熔點(diǎn)為1750℃）共同構(gòu)成煤灰的骨架，提高了煤灰的灰熔點(diǎn)，未出現(xiàn)明顯的熔融現(xiàn)象。相關(guān)化學(xué)反應(yīng)如式(12)。

藥渣中含有更高的Na/K/Ca/Mg（其氧化物總和接近44%），且AlO含量幾乎為零，因此在同等條件下，摻燒藥渣形成的煤灰呈現(xiàn)強(qiáng)結(jié)渣性，且隨著摻燒比例的增加，結(jié)渣更加嚴(yán)重，其X射線衍射圖譜也印證了這個(gè)結(jié)論。如圖7(d)所示，煤灰中含有大量的霞石（熔點(diǎn)為1150℃）、長石（熔點(diǎn)為1120℃）等低熔點(diǎn)物質(zhì)，莫來石、硅鈣石（2CaO·SiO）（熔點(diǎn)為2130℃）等高熔點(diǎn)物質(zhì)含量較少甚至不存在；此外，圖譜中還檢測(cè)到了硅鈣鈉石（NaCaSiO）（熔點(diǎn)為1540℃）和磷酸鋁（AlPO），高溫下磷酸鋁易與硬石膏反應(yīng)生成磷酸鈣[Ca(PO)]，部分磷酸鈣會(huì)進(jìn)一步與灰中游離的赤鐵礦反應(yīng)生成磷酸鐵鈣[CaFe(PO)]等物質(zhì)，這些物質(zhì)與方鎂石、石英等物質(zhì)進(jìn)一步形成低溫共熔體，促使煤灰的灰熔點(diǎn)降低。其相關(guān)化學(xué)反應(yīng)如式(13)～式(15)。

2.4 SEM-EDS分析結(jié)果

神華煤和摻燒10%、20%活性炭/樹脂/藥渣燃燒形成的煤灰微觀形貌及表面元素組成分布如圖8所示。由圖8(a)、(b)可知，煤灰在815℃下呈松散的規(guī)則的球狀，少數(shù)呈現(xiàn)不規(guī)則絮狀和片狀；溫度升高到1150℃后，部分規(guī)則的球狀顆粒和不規(guī)則的絮狀顆粒之間相互黏結(jié)，形成不規(guī)則的大型塊狀物質(zhì)，說明不同礦物質(zhì)間發(fā)生反應(yīng)，互相團(tuán)聚的趨勢(shì)與溫度相關(guān)。不同溫度下，煤灰的主要組成元素均為O、Si、Al和Ca，此外，含有少量的Fe、Na、K和Ti。在815℃時(shí)還檢測(cè)到一定量的S、C元素，證明了該溫度下有硬石膏和方解石的存在，這與XRD 結(jié)果一致。此外，隨著溫度的升高，堿金屬Na/K含量有所遞減，原因是在高溫下容易形成Na、K 蒸汽而揮發(fā)釋放到環(huán)境中，因此，煤灰在1150℃下的Na/K含量明顯低于815℃。

圖8 高溫下煤灰的SEM+EDS分析

由圖8(c)、(d)可見，摻燒10%的活性炭后，煤灰已經(jīng)呈現(xiàn)熔融的趨勢(shì)，形成無定形團(tuán)聚物；摻燒比例到20%后，煤灰各顆粒熔融現(xiàn)象非常顯著，已經(jīng)燒結(jié)成結(jié)實(shí)、致密的大型塊狀結(jié)構(gòu)。EDS數(shù)據(jù)表明，摻燒活性炭之后，煤灰中生成了更多的低熔點(diǎn)物質(zhì)霞石（NaAlSiO，熔點(diǎn)為1150℃）、鈉/鉀長石（Na/KAlSiO，熔點(diǎn)在1120℃左右），此外還形成了CaO?FeO?MgO?SiO（熔點(diǎn)<1047℃）和SiO?AlO?FeO（熔點(diǎn)為1073℃）等低熔點(diǎn)共熔物，堿金屬Na/K 在里面具有助熔作用。這一結(jié)果與前文活性炭的灰成分?jǐn)?shù)據(jù)也相一致。圖8(e)、(f)表明，摻燒10%和20%的樹脂后，煤灰均未出現(xiàn)明顯的熔融現(xiàn)象，呈分散疏松的棒狀、鱗片狀顆粒，組分中含有極少量的鈉、鉀等助熔元素，但含有較多的AlO（熔點(diǎn)高于2000℃）等酸性氧化物，該類物質(zhì)在煤灰中起到了骨架支撐作用，使煤灰不易形成低溫共熔體，從而提高了煤灰的熔融性溫度。圖8(g)、(h)表明，添加藥渣后，煤灰出現(xiàn)了十分嚴(yán)重的熔融特征，形成致密較硬的玻璃態(tài)無定形團(tuán)聚物；且隨著摻燒比例的升高，熔融態(tài)勢(shì)進(jìn)一步惡化，比摻燒相同比例的活性炭要嚴(yán)重甚多；其結(jié)渣機(jī)理除了同前文分析的類似摻燒活性炭原因之外，能譜檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了灰中含有一定量的P 元素，相關(guān)研究表明，灰中的磷元素主要以磷酸鋁（AlPO）等礦物質(zhì)存在，隨著燃燒溫度的升高，該類物質(zhì)易與煤灰中含鈣礦物和赤鐵礦等物質(zhì)反應(yīng)生成無定形的低溫共熔體，顯著降低了灰熔點(diǎn)，加重結(jié)渣，導(dǎo)致添加相同比例的藥渣比活性炭的熔渣化現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

3 結(jié)論

（1）固廢摻燒的種類對(duì)煤灰的熔融溫度特性影響不一?；钚蕴亢退幵休^高的Na/K/Ca/Mg 堿金屬及堿土金屬元素，與神華煤摻燒后會(huì)顯著降低煤灰的灰熔點(diǎn)；樹脂則提高了摻燒后煤灰的灰熔點(diǎn)。

（2）同一固廢的不同摻燒比例對(duì)結(jié)渣特性也有影響。摻燒活性炭和藥渣均促進(jìn)了煤灰的結(jié)渣；且隨著摻燒比例的遞增，結(jié)渣情況愈加嚴(yán)重。摻燒樹脂，其煤灰仍能保持較好的疏松多孔的特點(diǎn)，未出現(xiàn)明顯的結(jié)渣熔融現(xiàn)象。

（3）XRD 結(jié)果顯示，摻燒活性炭和藥渣的煤灰在高溫下生成了更多的霞石、鈉長石和鉀長石等低熔點(diǎn)物質(zhì)，且摻燒比例越高，該類物質(zhì)越多，這些礦物質(zhì)與煤灰中的鈣長石、石英等物質(zhì)結(jié)合形成熔點(diǎn)更低的低溫共熔體，進(jìn)一步降低灰熔點(diǎn)，致使結(jié)渣熔融惡化。摻燒藥渣后的煤灰中還含有大量的磷酸鹽礦物質(zhì)，該類物質(zhì)極易與含鈣礦物質(zhì)和赤鐵礦形成無定形玻璃相的低溫共熔體，致使結(jié)渣更為嚴(yán)重。摻燒樹脂的煤灰中含有高熔點(diǎn)的莫來石等物質(zhì)，與AlO和石英等物質(zhì)共同建構(gòu)起“灰的骨架”，使煤灰不易結(jié)渣。

（4）SEM+EDS 結(jié)果也證明了活性炭和藥渣具有促進(jìn)煤灰結(jié)渣的作用，容易形成結(jié)實(shí)、致密的無定形玻璃態(tài)熔融物質(zhì)，且藥渣的助熔效果更加顯著。樹脂則具有較好的抗結(jié)渣特性，摻燒后的煤灰中含有更多的疏松分散的棒狀、鱗片狀小顆粒物質(zhì)，在本實(shí)驗(yàn)摻燒比例下均未出現(xiàn)熔融結(jié)渣現(xiàn)象。

（5）總體來講，神華煤中摻燒這三種固廢是可行的，由結(jié)渣特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，若有利于鍋爐平穩(wěn)運(yùn)行，則神華煤中摻燒樹脂比例在20%以內(nèi)，活性炭和藥渣摻燒比例則建議不高于10%和5%。