煤灰熔融性对气化用煤的影响

韩艳芳

摘要：气化用煤中，煤灰熔融性是一个非常重要的指标，而煤灰熔融性，是指随着温度的升高，煤灰变形、软化和流动等具有物理特征状态的性能的变化的特征。在高温下，煤会发生一些列反应，最显眼的就是燃烧，而在煤进行一系列的反应（矿物质在锅炉中的动态变化）时，煤灰熔融性就是一个非常重要的影响因素，其次，也可以根据煤灰熔融性对锅炉的结渣、沾污等状态进行预测评估，所以，如果在煤质确定的情况下，就需要对锅炉的性能进行设计、选择，如果锅炉的性能确定，则需要对煤的熔融性进行检测，确保工作的顺利进行。在国标GB/T 219—2008文件中就有气化煤和动力煤熔融性的相关标准要求。因此，结合实际状况，将实验过程中产生的问题，从热电偶的精确度、煤灰成分、试验气氛和实验者操作时的严谨程度几个方面对实验中的结果进行分析，将煤灰熔融性对气化用煤的影响进行探讨，并总结出有效的处理方案。对于煤炭在生产中采用的气化技术进行完善。其次，也应该严格控制原煤流动温度和气化炉温度，确保前者温度低于后者温度，并结合实验室的研究，以实验室气化用煤样的实验结果为依据，观察在添加不同助溶剂或添加配煤（不同融熔性的煤）后，所取煤样中煤灰熔融性的变化。再不断调整助熔剂的种类、添加量、掺配煤种及掺配比例，以此来达到理想的效果。因此，本文就煤样中所含灰成分做了抽样分析，探析了煤灰熔融性对气化用煤的影响，望能对煤炭气化做出贡献。

关键词：煤灰熔融性;气化用煤;煤灰变形;软化;流动;助熔剂;处理方案

前言

对工业用煤的评价中，煤灰的熔融性也是重要指标之一，煤灰的熔融性也主要用于锅炉的设计、选型。在实际的操作中，炉温、进煤时机也会由于煤灰的熔融性的不同而不同。一般情况下，气化炉、锅炉轻微结渣，气化炉、锅炉受热面轻微积灰的温度和煤灰的形成温度对应，气化炉、锅炉大量结渣，气化炉、锅炉内量积灰的温度和软化温度成对应;流量、温度则同时与多方对应，其中包含呈液态流动的炉中灰渣温度、从热力面上滴下温度结渣和在炉栅上严重结渣的温度三个部分。在上述的几个特征温度中，应用较为广泛的为软化温度，在转化的过程中，温度的变化也尤为明显，因此，一般根据转化温度来选择需要的设备、锅炉、燃烧等，有的也根据设备的性能来选择符合要求载荷的原煤料。对于气化炉的选择，一般都以原料煤的流动温度为参考进行选择。现在的技术条件下，较先进的气化炉，操作时的温度会控制在1 400℃～1 600°C左右。还有一种Texeco和多元料浆气化炉，操作时温度一般控制在1 300℃～1 400℃。Texeco汽化炉在操作时温度可能也会高出1400℃。因此，本文在讨论煤灰熔融性对气化用煤的影响时，以实验的数据为参考，从各方面进行探讨，以求对其能在气化用煤的选择时能做出更好的选择。

一、煤灰熔融性的测定

经过对煤灰熔融性的概念进行阐述，可以得知，煤灰具有一定的物理状态，如：在高温下变形、软化、半球和流动等，随着温度的升高，煤灰也随之出现一系列的变化，首先表现出的是变形，用（DT）表示，伴随着温度的升高，出现软化，因此，时的温度称之为软化温度（ST）。温度进一步升高时变化为半球和流动，将此两种状态下的温度称之为半球温度（HT）和流动温度（FT）。根据上述的四种状态温度的变化，可以看出煤灰熔融性实际上是煤灰软化时的温度，因此，也可以将煤灰熔融性用ST代表。根据查阅GB/T219可以查得，测定煤灰熔融性的标准为在弱还原性气氛下测得的结果。

1.1 煤灰熔融性和灰成分的关系

煤灰熔融性主要还是取决于煤灰的成分，煤灰的组成成分比较复杂，存在多种元素，如各种金属元素：钠、镁、铝、铁、钙。也包含有多种其他物质，如硅、碳、硫等，其中，钙、铁、硫、碳元素几种元素是煤中的主要组成成分，根据大量实验表明，煤中仅硫的存在形式就有很多种，如。有机硫、无机硫、硫化物、硫铁矿、石膏等。其次，煤矿中还存在碳酸盐、硅酸盐、石英、高岭土等等。虽然在经过高温反应后大部分化合物被分解。煤灰中也存在其它组分，因此，煤灰熔融性与煤灰的成分之间存在很大的关系，煤矿在经过燃烧分解的产物中的元素和各种成分共同决定了煤灰的熔融性。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对煤灰熔融性起着重要的作用，其他五种化合物含量低，熔点相对较低，因此，对煤灰熔融性影响较小，但是，当SiO₂、AI₂O₃、Fe₂O₃、GaO几种氧化物含量不高，而SO₃、MgO、TiO₂其中的一种化和物含量较多时，对其影响也相对较大，因此，在进行实验时，需要将各种化合物的含量进行确认。SiO₂、AI₂O₃的熔融温度都比较高，在进行燃烧时很难熔解，可以将其称为难熔氧化物。由于这两种氧化物的存在，煤灰熔融性也会增高。实验表明，AI₂O₃只有在温度超过2050℃的环境下才能分解，而当下先进的汽化炉温度最只可高控制在1600℃左右，在汽化炉内的AI₂O₃也就不能分解，因此，煤灰中的AI₂O₃含量越多，煤灰的熔融温度也会越高。根据实验数据得知，煤灰的熔融温度在1300℃-1500℃之间时，AI₂O₃的含量大约占煤灰的30%-40%;煤灰的熔融温度在大于1500℃时，AI₂O₃的含量大约占煤灰的40%以上;当SiO₂的含量小于60%时，其能够起到“助熔”作用。当煤灰呈碱性时，SiO₂的“助熔”作用更加明显，但SiO₂却不能起到降低煤灰的熔融温度的作用，与煤灰的熔融温度关系不明显。但是当的SiO₂含量大于60%时，就会有明显的增高灰熔融温度的作用。经过研究发现，当煤灰中碱性氧化物含量升高时，煤灰的熔融温度就会降低。在煤灰中，属于碱性氧化物的有Fe₂O₃、GaO、MgO等，大部分碱性氧化物的熔点较低，所以，在一定程度上可以降低煤灰的熔融温度。但是，部分碱性氧化物在煤灰的熔融温度的作用还与所处的环境有关，比如Fe₂O₃的影响，灰渣所处的环境性质不同，其影响也不同。但是从整体的效果来看，趋势是降低灰熔融温度。GaO、MgO对降低灰熔融温度效果比较明显，通常也容易形成短渣，但是，这两种物质的含量超过30%时，确不能降低灰熔融温度，相反灰熔融温度会有所升高。其次，煤灰中的Na₂O也能够有效降低灰熔融温度。此外，实验环境也是影响煤灰熔融温度的一个因素，在氧化性的环境下，煤灰熔融温度较还原性环境下会高出很多，如果气化炉中的还原性气体如CO、H₂、CO较多，煤灰熔融温度会相对较低，因此，建议在对煤灰熔融性进行测定时用具有弱还原性的气体。

二、实 验

自然界存在的煤的种类较多，在实验室进行检测时，可提供的选择空间较大，比如无烟煤、褐煤、烟煤等。在进行实验时，应该尽可能的选择不同种类的煤样，其中对高质量和低质量的煤样也应该进行选择。在进行试验时，高灰融熔性的煤在进行检测时可以适当的加入助熔剂，使其能够适用液态排渣的气化技术。在气化的过程中的气化条件也能应该进行控制。在低融熔性的煤进行实验时，在其中加入相对较高融熔性的煤作为配煤，本次试验中，选取了22个样煤，实验过程中的评价指标按照GB/T15规定执行，再对数据进行统计。最后数据如表1，加助熔剂实验组数据记录在表2中、表3;加配煤实验组数据记录在表4中;

三、结果与讨论

4.1 助熔剂对煤灰熔融温度的影响

可以从表1中看出，SiO₂、AI₂O₃、Fe₂O₃是煤灰的主要组成成分。虽然也存在其它氧化物、化合物，但是含量都较少。通过上述表格的统计对比，煤灰中的SiO₂、AI₂O₃的含量越高，煤灰的熔融性也会越高。有的煤灰样品中的SiO₂、AI₂O₃含量较少，但是对于CaO的含量超过35%的煤样，煤灰的熔融性也较高，如表一中的10、11号样品。表二中，煤样中添加了CaO，可以看出，加了CaO的实验组的煤灰熔融性都有所降低。在加入了助熔剂后，可以看到FT的值大幅度下降，但是在持续加入的过程中，FT的下降值会达到最高限度，再继续随着CaO的增加，FT有所升高，表中的6、7号数据便能够得到有力的证明。当CaO的量最大达到30%，个别在最高35%时，煤灰的熔融性一直呈现出下降的趋势，在超过30%，个别超过35%时，煤灰的ST和FT都会呈现出突然升高的状态。对表3进行研究，可以得知，在加入SiO₂后，煤灰的熔融性也会出现降低的趋势。在10、11号实验组的数据中便可以观察到。当煤灰中的CaO的量高于35%，SiO₂、AI₂O₃的含量相对较低时，在煤灰样品种加入SiO₂也可以起到助溶作用，但是当SiO₂煤的量达到一定的程度时，煤灰的ST和FT都会突然升高。在01～08号煤灰样中加入CaO，煤灰的FT也可以降至1400℃，通的对比，可以发现，几组数据的变化趋势也基本相似，但是煤灰的熔融温度的降低幅度各不相同。同理，在09、10、11、18煤灰样品中加入SiO₂后，煤灰的FT也可以降至1400℃，煤灰的熔融温度的降低幅度也不同。综上可以得出结论，不同的煤样需要选择不同的助熔剂，且助熔剂的种类徐亚根据煤灰的种类选择。

4.2 配煤改变煤灰融熔性

对于高灰融熔性的煤样，需要与低灰融熔性的煤样按照一定的比例搭配。实验中的数据可以看出，加入配煤后，煤灰的融熔性也会有所改变。其次，在配煤的过程中，需要满足气化工艺要求，搭配的比例也要适合。对于在实验过程中，经过配煤，灰熔融性仍然较高的，可以选择通过加入助熔剂的方式来降低煤灰熔融性。但是，由于加助熔剂的方式能够使灰分增加，因此，优先考慮使用配煤的方式来煤灰熔融温度。对于配煤后煤灰熔融温度无明显变化的，再使用加入一定量的助熔剂来降低煤灰熔融温度。这一点在表四中可以看出。

结语

气化用煤一般要从多个方面来分析，其中包括工业性、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，在煤灰熔融性的测定中，首先要明确煤灰熔融性和灰成分的关系，也要明确煤灰的组成成分的复杂性，其存在多种元素，如各种金属元素：钠、镁、铝、铁、钙、硅、碳、硫等。然后对各种元素、助熔剂、配煤对煤灰熔融温度的影响进行实验验证。当下，科技快速发展，气化技术也得到了改进，一般都采用液态排渣技术，此种技术能够保证在气化过程中碳的高转化率。气化过程中，煤灰熔融性也是决定气化炉的操作温度的因素，在生产的过程中，配煤的效果较好，不仅能有效控制气化炉的操作温度，煤灰熔融温度也不会很高，能够维持在适宜的范围之内。此种方法能够有效延长气化炉的寿命，整个生产过程的危险性因素也会大大降低。但是，在配煤的过程中，需要满足气化工艺要求，配煤的比例也要适合。所以，在此过程中需要做到细致、严谨。对于在生产过程中，经过配煤仍然灰熔融性较高的，可以选择通过加入助熔剂的方式来降低煤灰熔融性。因此，要不断创新改善煤灰熔融性的方法，以便在不同的排渣方式、不同煤种中更具备适应性。

参考文献

[1]王艳柳，张晓慧. 煤灰熔融性对气化用煤的影响[J]. 煤质技术，2009（4）：55-58.

[2]卢财，赵俊梅，荣令坤，贾凤军，王雄.煤灰成分与灰熔融性的关联性分析[J].洁净煤技术，2018，24（02）：74-78.

[3]王东旭，王洋，李文艳，肖海平.碱性氧化物对煤灰熔融特性影响的研究进展[J].化工进展，2017，36（S1）：167-174.

[4]李婷. 气化用煤配煤模型及动态配煤系统研究[D].西安科技大学，2017.

[5]武占强. 配煤及助熔剂对Shell气化炉煤灰的影响研究[D].郑州大学，2018.

[6]修洪雨.CaO对煤灰主要成分熔融特性的影响I-J1.电站系统工程，2005（3）.

[7] 张德祥.煤灰中矿物的化学组成与灰熔融性的关系FJ].华东理工大学学报，2003（6）.

（作者单位：鄂尔多斯市神东检测有限责任公司沙沙圪台煤质采制化室）