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1、煤灰成分对煤灰熔融特性的影响摘要：目前气流床气化炉均采用液态排渣，即要求气化炉内的操作温度超过 灰渣流动温度，使灰渣处于熔融状态，以便灰渣能以液态形式排出气化炉。实际 生产中经常会遇到炉壁衬受高温液态煤灰渣侵蚀和液态煤灰渣流动不畅而产生的 堵渣问题。考虑到气化炉耐火材料、测温元件的寿命及运行的经济性，气化炉内 的操作温度不宜控制过高。工业生产中通常采用煤灰的流动温度作为判断依据， 以判断某一煤种是否适用于气流床气化技术。而煤灰的流动温度主要取决于煤灰 的成分，因此越来越多从事煤气化工作的人开始关注煤灰成分对灰熔融特性的影 响。关键词：煤灰成分；煤灰熔融特性；前言：近年来，随着经济和电力工业的迅
2、猛发展，中国对煤炭的需求一直居 高不下。尽管风能、太阳能、生物质能等可再生能源得到了越来越广泛的应用， 煤炭仍将是很长时间以内中国的主要能源。随着环保要求和对火电厂经济、安全 运行等要求的日益严格，清洁和高效成为了煤炭转化和利用过程中的关键词。其 中，锅炉尾部受热面的结渣、堵塞等问题，始终是影响煤炭清洁、高效利用的一 大难题。近年来，逐渐成为研究热点的IGCC系统以及中国最大整装煤田新疆准 东煤的利用过程中，都存在着较为严重的结渣、堵塞等问题。其中，灰的熔融特 性是最重要的因素之一。一、实验部分1. 煤灰与合成灰的配制。研究对象为真实煤灰和由真实煤灰添加氧化物混 合而来的合成灰，根据中国国标G
3、B /T212-2008，煤灰的制备方法为：在常温下 将煤经60 min升温至500 C后停留30 min，然后以10 C /min的升温速率升 温至815 C，停留1 h。分别将氧化钙的含量提高至25. 0%和47. 0%，相应 的，氧化硅和氧化铝的含量分别降至30. 3%和9. 1%、13. 4%和4. 0%。通 过以上灰成分的设置，有步骤地模拟了几种不同特点的煤灰成分：高氧化钠含量; 高氧化镁含量；高硫含量；中、高氧化钙含量。2. 灰熔点的测定。采用5E-AF11型智能灰熔融测试仪对各组灰分进行灰熔融 温度（AFT）的检测。煤在工业锅炉中燃烧，一般都形成以CO、H2、CH4、CO2和 O
4、2为主的弱还原性气氛。因此，根据中国国标实验采用封碳法测试灰在弱还原性 气氛中的熔融温度，具体方法是在坩蜗舟中放入石墨和活性炭，并不需要通入还 原性气体。灰的熔融温度用初始变形温度、软化温度、半球温度和流动温度四 个特征温度来表征。3. 热化学分析和反应平衡计算。灰的熔融过程是一个高温反应过程，灰的熔 融特性与熔融过程中矿物质的行为、矿物质间的化学反应密切相关。为了更好地 解释灰成分对灰熔融特性的影响作用，根据所用煤灰和合成灰的成分，由于熔融 测试中的弱还原性气氛由隔离在坩蜗中的石墨和活性炭提供，因此，在计算中不 加入气体和其他物质。设置温度为变量，研究了几种灰分从600 C升温到1600 C
5、的过程中矿物质的变化，温度间隔为100 C;设置某种氧化物的含量为变 量，研究了几种氧化物在特定温度下对灰中矿物质的影响作用，步长为0. 5% 或1%。根据计算结果，分析了灰中不同元素在矿物质中的赋存形式随温度和含量 变化而变化的规律，并与实验中得到的不同成分煤灰的熔融特性建立了联系。二、讨论1. 熔点的变化。随灰中氧化钙含量的增加以及氧化硅、氧化铝含量的降低， 灰的熔融温度经历了先降低后升高的过程。在灰熔融过程中，钠长石与钾长石可 能形成共熔体，降低了它们的熔融温度。钙的含量比钠和钾的含量高，其在矿物 质中的存在形式也更加多样，主要以硫酸钙、钙长石、钙铁榴石和透辉石的起始 熔融温度均为1 1
6、00 C左右，因此，也可能形成共熔体，其中，钙长石的含量最 高，钙铁榴石的含量最低。游离的氧化铁以赤铁矿的形式存在。2. 灰中Na2O含量对熔融特性的影响。随温度升高过程中矿物质的变化。随 着氧化钠含量增加到5. 5%，钠的存在形式由钠长石变成了钠长石和霞石。随着 温度的升高，钾长石转化为白榴石。钠长石、霞石和白榴石的共熔温度约为900 C,也是液渣开始生成的温度。虽然液渣开始生成的温度与灰分1相同，但 由于灰中氧化钠含量的增加，导致在900 C时形成共熔体的矿物质含量增加，因 此，钙长石的含量降低，钙铁榴石的含量升高，透辉石的含量保持不变随温度升 高过程中矿物质的变化为了更为直观地描述氧化钠
7、含量的增加对于灰熔融特性的 影响，矿物质的种类与含量随氧化钠含量增加的变化情况，含钠矿物质中，钠长 石的含量先随氧化钠含量的增加而增加，当氧化钠的含量到达4. 0%时，钠长 石的含量开始降低；当氧化钠的含量增加到3. 5%时，钠长石的增加速率已经 开始降低，与此同时，霞石开始产生，并于钠长石的含量到达4. 0%后开始快 速升高。含钾矿物质中，钾长石的含量于氧化钠含量为3. 0%时开始降低，同时 生成了白榴石，当氧化钠的含量升至4. 0%时，钾长石全部转化为白榴石。含 钙矿物质中，随氧化钠含量的增加，透辉石的含量不变，钙长石的含量逐渐降低， 钙铁榴石的含量逐渐升高。石英的含量逐渐降低，当氧化钠的
8、含量为5%时降至为 0，赤铁矿的含量逐渐降低。3. 灰中MgO含量对熔融特性的影响。含钠矿物质中钠长石的含量下降，霞石 的含量升高。钙长石的含量保持不变，透辉石含量增加，钙铁榴石消失。同时生 成了镁橄榄石（Mg2SiO4）。液渣的生成温度也为900 C，但生成速率却比灰分 慢，1000 C时液渣含量只有40%，矿物质的种类与含量随氧化镁含量增加的变化。 含钠矿物质中，随氧化钠含量的增加，钠长石含量逐渐降低，霞石含量逐渐升高 含钙矿物质中，随氧化镁含量的增加，钙长石的含量保持不变，透辉石的含量逐 渐增加，钙铁榴石的含量逐渐降低；当氧化镁的含量达到6%时，钙铁榴石消失， 透辉石和赤铁矿的含量也不再
9、变化，氧化镁的增加导致了镁橄榄石的产生和升高。 有研究认为，氧化镁对灰熔融特性的主要作用为助熔，即降低灰熔点。这样的观 点有其依据，随着氧化镁含量的增加，低共熔温度的透辉石含量增加，高共熔温 度的钙铁榴石含量降低，因此，能够起到助熔的作用。然而，随着氧化镁含量继 续增加，如本例中，当氧化镁的含量大于6%时，透辉石和钙铁榴石的含量不再 变化，过量的氧化镁生成了高熔点的镁橄榄石，因此升高了灰熔点。高研究也证 明了这个结论，在他们的实验中，随氧化镁含量的增加，灰熔点有一个先降低后 上升的趋势。4. 灰中硫含量对熔融特性的影响。随着硫含量的增加，灰分中矿物质种类和 含量的变化。随着灰分中硫含量的增加，
10、含钠矿物质中钠长石的含量上升，霞石 的含量下降，其共熔温度仍为900 C。含钾矿物质与灰分一样，随温度升高钾长 石分解为白榴石和二氧化硅。含钙矿物质中，硫酸钙的含量上升，钙长石的含量 不变，透辉石的含量降低。镁橄榄石的含量上升，赤铁矿的含量不变，仍然没有 钙铁榴石。液渣的开始生成温度仍为900 C左右，1000 C时液渣的含量约为 46%，这也解释了灰分的熔融温度中，初始变形温度低于灰分，半球温度和流动 温度高于灰分这一特点。从矿物质变化的角度来看，由于霞石向钠长石的转化， 使得低共熔温度矿物质的含量增加，因而液渣的开始生成速率较快，而高熔点的 镁橄榄石含量的增加，使得温度较高时液渣的生成速率较慢。结束语：增加灰中氧化镁的含量对灰熔点的影响结果不同，透辉石的增加有 助于降低灰熔点；镁橄榄石的增加有助于提高灰熔点；透辉石的生成优先于镁橄 榄石。因此，总体来说，增加灰中氧化镁的含量对灰熔点有先降低后升高的影响， 降低与升高的临界点与灰成分相关。增加灰中硫的含量能够整体上提高灰的熔点， 原因在于镁橄榄石的产生，但是钠长石含量的升高可能降低其初始变形温度。参考文献：1袁宝泉.煤灰熔融特性的影响因素及其调控的实验研究。.徐州： 中国矿业大学，2019.2孙文娟.煤灰成分及矿物组成对淮南煤灰熔融特性的影响D.淮南：安徽理工大学，2020.
