煤灰成分與灰熔融性關(guān)系研究進(jìn)展

王錚

摘 要：基于煤氣化清潔利用的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，本文從煤灰熔融性對(duì)氣化工程設(shè)計(jì)、工藝條件選擇角度出發(fā)，討論了煤灰中不同的礦物質(zhì)成分對(duì)灰熔融性溫度的影響。

關(guān)鍵詞：灰熔融性;灰分;煤氣化

1 前言

在我國(guó)多煤少油的化石能源稟賦以及環(huán)保壓力日益增加的大環(huán)境下，煤炭資源的清潔利用不僅是煤炭企業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要戰(zhàn)略，也是解決我國(guó)環(huán)境污染問(wèn)題和提高我國(guó)能源自給率的重要技術(shù)手段。在各種煤炭資源清潔化利用中（如煤直接液化技術(shù)、煤間接液化技術(shù)、煤油共煉技術(shù)、煤氣化、煤熱解等），煤氣化是重要的資源利用途徑，其生產(chǎn)出的合成氣（主要成分為一氧化碳、氫氣）既可以作為煤化工原料使用（合成氣制烯烴、合成氣制多元醇等），也可以作為煤氣化發(fā)電的清潔氣體燃料使用（IGCC技術(shù)）。

而對(duì)于煤氣化工程設(shè)計(jì)、工藝操作來(lái)說(shuō)，并不是所有的煤粉都可以作為氣化原料，煤粉的適用性取決于其化學(xué)組成和性質(zhì)，其中煤的灰熔融性是一個(gè)重要的評(píng)判指標(biāo)。在目前推廣使用的煤氣化工程中主要為氣流床煤氣化和煤鍋爐兩種生產(chǎn)工藝，其中氣流床使用的排渣方式為液相排渣，而氣化爐使用的則是固相排渣。對(duì)于液相排渣來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)和操作要求氣化爐的操作溫度要大于煤灰熔融的溫度;對(duì)于固相排渣來(lái)說(shuō)，為了防止?fàn)t膛受熱結(jié)渣，要求使用的煤粉應(yīng)當(dāng)具有較高的煤灰熔融溫度。除此之外，目前在煤粉與生物質(zhì)共氣化、煤粉與殘?jiān)に嚉饣妊芯繜狳c(diǎn)中，煤粉與其他共氣化原料的灰熔融匹配性也是重要研究方向之一。因此，鑒于煤氣化復(fù)雜的排渣系統(tǒng)以共氣化性質(zhì)為研究熱點(diǎn)，本文梳理總結(jié)了煤灰化學(xué)組成與煤灰熔融性關(guān)系的研究熱點(diǎn)。

2 煤灰成分對(duì)灰熔融性影響

根據(jù)離子勢(shì)的指標(biāo)，某煙煤的灰分礦物組成劃分為酸性氧化物（二氧化硅、氧化鋁、二氧化鈦）和堿性氧化物（氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化鉀、氧化鈉）等。

在以往的研究中，通常認(rèn)為酸性氧化物濃度與煤灰熔融性溫度成正相關(guān);而對(duì)于堿性氧化物來(lái)說(shuō)，其濃度與煤灰熔融性溫度成負(fù)相關(guān)。但是隨著研究體系不斷完善，技術(shù)研究人員發(fā)現(xiàn)很多堿性氧化物的濃度與灰熔融性溫度并不一直成負(fù)相關(guān)，而是隨著濃度的增加出現(xiàn)極值。

2.1 酸性氧化物

二氧化硅在煤灰中的含量占比很高，而氧化鋁則在煤灰中的分布范圍較大，最低值僅為3%，而最高值可達(dá)到50%。但是二氧化硅對(duì)灰熔融性的影響要比氧化鋁影響強(qiáng)度小，并且在高濃度區(qū)間內(nèi)，二氧化硅和氧化鋁對(duì)煤灰熔融性的影響都呈現(xiàn)出不規(guī)律變化。在低濃度區(qū)間，隨著灰分中氧化鋁、二氧化硅含量的增加，灰熔融性呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。但是當(dāng)二氧化硅含量超過(guò)60%以上時(shí)，則表現(xiàn)出了隨機(jī)性較大的變化規(guī)律。從分子結(jié)構(gòu)來(lái)看，二氧化硅的分子結(jié)構(gòu)為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，含量較高時(shí)能與一些修飾型氧化物發(fā)生相互作用，而表現(xiàn)為助熔效果的不確定性。而氧化鋁在灰分熔融過(guò)程中起到了骨架支撐作用，其含量較低時(shí)骨架支撐作用不明顯，影響灰熔融性溫度的取決于其他無(wú)機(jī)氧化物，只有含量超過(guò)一定值后才能表現(xiàn)出骨架的助熔作用。二氧化鈦在煤灰中的含量較低，一般在5%以下，但是其對(duì)灰熔融性溫度影響作用較強(qiáng)。大量的基礎(chǔ)理論研究表明，煤灰中的二氧化鈦含量每增加一個(gè)百分點(diǎn)，其灰熔融性溫度會(huì)增加35-46℃左右。

2.2 堿性氧化物

堿性氧化物中氧化鐵的含量較高，通常在5-16%之間，一些產(chǎn)地的煤灰中可達(dá)到50%以上，與其他煤灰中氧化物不同的是，灰分中的氧化鐵對(duì)灰熔融性溫度的影響與煤粉氣化工藝中的氣體環(huán)境有很大關(guān)聯(lián)度。在弱還原性氣體條件下，氧化鐵可以被還原成氧化亞鐵。一方面氧化亞鐵的熔融溫度低，另一方面氧化亞鐵可以與氧化鈣、二氧化硅等形成低熔點(diǎn)共熔體，這兩方面導(dǎo)致了弱還原性氣體條件下，氧化鐵表現(xiàn)為降低灰熔融溫度的作用。相反的，如果氧化鐵沒(méi)有被還原為二價(jià)鐵，則表現(xiàn)為提高灰熔融溫度的作用。

氧化鈣在灰分中的含量跨度區(qū)間也較大，最低值僅為1%，最高值可達(dá)到50%以上，在這么大幅度的跨區(qū)區(qū)間內(nèi)，氧化鈣表現(xiàn)出了復(fù)雜的影響關(guān)系。研究表明，隨著灰分中氧化鈣含量的增加，其在30-35%含量左右時(shí)出現(xiàn)了灰熔融溫度的極小值點(diǎn)。也就是在含量小于30-35%范圍內(nèi)，氧化鈣含量與灰熔融溫度成負(fù)相關(guān)，含量大于30-35%范圍內(nèi)，氧化鈣含量與灰熔融溫度成正相關(guān)。通過(guò)XRD譜圖分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，低含量時(shí)會(huì)與其他氧化物形成鈣長(zhǎng)石、鈣黃長(zhǎng)石等低熔點(diǎn)化合物。而高含量氧化鈣的形態(tài)則主要以單體形式存在，表現(xiàn)出了增加灰熔融溫度的作用。

煤灰中氧化鎂含量較低，大部分煤礦均在3%以下，極個(gè)別的煤礦煤灰中氧化鎂含量較高，但也不會(huì)超過(guò)15%。研究表明，煤灰中的氧化鎂含量與灰熔融性溫度成負(fù)相關(guān)，通常氧化鎂含量每增加一個(gè)百分點(diǎn)，灰熔融性溫度降低22-33℃。當(dāng)氧化鎂含量超過(guò)15%時(shí)，則表現(xiàn)出了正相關(guān)，當(dāng)然考慮到煤灰分中氧化鎂含量的規(guī)律，在氣化時(shí)，通常不會(huì)考慮氧化鎂對(duì)提高灰熔融性溫度的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

煤灰中的礦物質(zhì)可以分為酸性氧化物和堿性氧化物，不同的氧化物與灰熔融性表現(xiàn)出了不同的曲線關(guān)系，同時(shí)這些氧化物之間發(fā)生的共熔作用也將曲線關(guān)系變得更加復(fù)雜。因此，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)不斷加強(qiáng)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)，并從實(shí)際生產(chǎn)角度出發(fā)，選擇適用于煤氣化生產(chǎn)的煤粉原料。

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