煤灰成分与灰熔融性关系研究进展

王铮

摘 要：基于煤气化清洁利用的国家发展战略规划，本文从煤灰熔融性对气化工程设计、工艺条件选择角度出发，讨论了煤灰中不同的矿物质成分对灰熔融性温度的影响。

关键词：灰熔融性;灰分;煤气化

1 前言

在我国多煤少油的化石能源禀赋以及环保压力日益增加的大环境下，煤炭资源的清洁利用不仅是煤炭企业转型发展的重要战略，也是解决我国环境污染问题和提高我国能源自给率的重要技术手段。在各种煤炭资源清洁化利用中（如煤直接液化技术、煤间接液化技术、煤油共炼技术、煤气化、煤热解等），煤气化是重要的资源利用途径，其生产出的合成气（主要成分为一氧化碳、氢气）既可以作为煤化工原料使用（合成气制烯烃、合成气制多元醇等），也可以作为煤气化发电的清洁气体燃料使用（IGCC技术）。

而对于煤气化工程设计、工艺操作来说，并不是所有的煤粉都可以作为气化原料，煤粉的适用性取决于其化学组成和性质，其中煤的灰熔融性是一个重要的评判指标。在目前推广使用的煤气化工程中主要为气流床煤气化和煤锅炉两种生产工艺，其中气流床使用的排渣方式为液相排渣，而气化炉使用的则是固相排渣。对于液相排渣来说，设计和操作要求气化炉的操作温度要大于煤灰熔融的温度;对于固相排渣来说，为了防止炉膛受热结渣，要求使用的煤粉应当具有较高的煤灰熔融温度。除此之外，目前在煤粉与生物质共气化、煤粉与残渣工艺气化等研究热点中，煤粉与其他共气化原料的灰熔融匹配性也是重要研究方向之一。因此，鉴于煤气化复杂的排渣系统以共气化性质为研究热点，本文梳理总结了煤灰化学组成与煤灰熔融性关系的研究热点。

2 煤灰成分对灰熔融性影响

根据离子势的指标，某烟煤的灰分矿物组成划分为酸性氧化物（二氧化硅、氧化铝、二氧化钛）和碱性氧化物（氧化铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠）等。

在以往的研究中，通常认为酸性氧化物浓度与煤灰熔融性温度成正相关;而对于碱性氧化物来说，其浓度与煤灰熔融性温度成负相关。但是随着研究体系不断完善，技术研究人员发现很多堿性氧化物的浓度与灰熔融性温度并不一直成负相关，而是随着浓度的增加出现极值。

2.1 酸性氧化物

二氧化硅在煤灰中的含量占比很高，而氧化铝则在煤灰中的分布范围较大，最低值仅为3%，而最高值可达到50%。但是二氧化硅对灰熔融性的影响要比氧化铝影响强度小，并且在高浓度区间内，二氧化硅和氧化铝对煤灰熔融性的影响都呈现出不规律变化。在低浓度区间，随着灰分中氧化铝、二氧化硅含量的增加，灰熔融性呈现先降低后增加的趋势。但是当二氧化硅含量超过60%以上时，则表现出了随机性较大的变化规律。从分子结构来看，二氧化硅的分子结构为网络结构，含量较高时能与一些修饰型氧化物发生相互作用，而表现为助熔效果的不确定性。而氧化铝在灰分熔融过程中起到了骨架支撑作用，其含量较低时骨架支撑作用不明显，影响灰熔融性温度的取决于其他无机氧化物，只有含量超过一定值后才能表现出骨架的助熔作用。二氧化钛在煤灰中的含量较低，一般在5%以下，但是其对灰熔融性温度影响作用较强。大量的基础理论研究表明，煤灰中的二氧化钛含量每增加一个百分点，其灰熔融性温度会增加35-46℃左右。

2.2 碱性氧化物

碱性氧化物中氧化铁的含量较高，通常在5-16%之间，一些产地的煤灰中可达到50%以上，与其他煤灰中氧化物不同的是，灰分中的氧化铁对灰熔融性温度的影响与煤粉气化工艺中的气体环境有很大关联度。在弱还原性气体条件下，氧化铁可以被还原成氧化亚铁。一方面氧化亚铁的熔融温度低，另一方面氧化亚铁可以与氧化钙、二氧化硅等形成低熔点共熔体，这两方面导致了弱还原性气体条件下，氧化铁表现为降低灰熔融温度的作用。相反的，如果氧化铁没有被还原为二价铁，则表现为提高灰熔融温度的作用。

氧化钙在灰分中的含量跨度区间也较大，最低值仅为1%，最高值可达到50%以上，在这么大幅度的跨区区间内，氧化钙表现出了复杂的影响关系。研究表明，随着灰分中氧化钙含量的增加，其在30-35%含量左右时出现了灰熔融温度的极小值点。也就是在含量小于30-35%范围内，氧化钙含量与灰熔融温度成负相关，含量大于30-35%范围内，氧化钙含量与灰熔融温度成正相关。通过XRD谱图分析，研究人员发现，低含量时会与其他氧化物形成钙长石、钙黄长石等低熔点化合物。而高含量氧化钙的形态则主要以单体形式存在，表现出了增加灰熔融温度的作用。

煤灰中氧化镁含量较低，大部分煤矿均在3%以下，极个别的煤矿煤灰中氧化镁含量较高，但也不会超过15%。研究表明，煤灰中的氧化镁含量与灰熔融性温度成负相关，通常氧化镁含量每增加一个百分点，灰熔融性温度降低22-33℃。当氧化镁含量超过15%时，则表现出了正相关，当然考虑到煤灰分中氧化镁含量的规律，在气化时，通常不会考虑氧化镁对提高灰熔融性温度的影响。

3 结语

煤灰中的矿物质可以分为酸性氧化物和碱性氧化物，不同的氧化物与灰熔融性表现出了不同的曲线关系，同时这些氧化物之间发生的共熔作用也将曲线关系变得更加复杂。因此，相关技术人员应当不断加强基础理论学习，并从实际生产角度出发，选择适用于煤气化生产的煤粉原料。

参考文献：

[1]马乐波，杨磊，夏支文.煤灰成分对灰熔融特性影响的多角度分析[J].中氮肥，2014（6）.

[2]戴爱军.煤灰成分对灰熔融性影响研究[J].洁净煤技术，2007，13（5）：23-26.