添加助熔剂降低大同石炭纪煤的高灰熔融性研究

张 景

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013)

0 引 言

中国煤炭资源丰富，高灰熔融性煤占总储量的50%左右[1]。煤灰熔融温度是气化用煤的重要指标之一，主要用于固定床排渣锅炉和气化炉的设计、选型并指导实际操作[2]，也可作为液态排渣炉设计中重要的参考数据，但其只能定性地说明灰的融化温度范围，不能反映灰渣熔融过程中的特性。煤灰黏度特性也是气化用煤的重要指标，可定量地反映灰渣在熔融过程中的特性，是液态排渣气化炉设计、选型中必不可少的指标。

煤中矿物在加热过程中的行为对煤灰熔融性有重要影响，不同的煤灰矿物组成燃烧后形成不同的煤灰成分。煤灰的熔融特性由煤灰中不同矿物组成及含量所决定。煤灰化学组成不同，则其矿物组成不同，煤灰的熔融特性也不同[3，4]。降低煤灰熔融温度的方法可分为配煤和添加助熔剂，该2种方法各有优点，添加助熔剂降低煤灰熔融温度的方法适用于煤灰熔融温度较高的情况。在4个特征温度中，软化温度和流动温度应用较广，一般根据流动温度选择合适的液态排渣气化设备，或根据气化设备类型选择合适的原料煤[5]。

煤气化是现代煤化工的龙头技术，也是我国洁净煤技术的重要组成部分之一。气流床气化由于具有碳转化率高、煤种适应性强、生产强度和规模大的特点，已广泛用于煤化工企业。气流床气化普遍采用液态排渣，该技术在高灰熔融性煤的选择上受到一定的限制[6]，因此，液态排渣的气流床气化炉的操作温度应高于原料煤的流动温度，干煤粉气流床气化炉的操作温度一般为1 450 ℃～1 600 ℃以上[7]，因此对于煤灰熔融温度和煤灰黏度特性有严格的要求。以下结合煤的灰熔融温度相关研究[8-20]，主要探究添加助熔剂后的大同石炭纪煤的煤灰熔融温度和煤灰黏度特性是否符合气流床气化的技术要求。

1 实验部分

1.1 原煤的煤质气化特性

研究选用煤样为大同石炭纪煤，煤灰熔融温度均大于1 500 ℃，煤灰黏度1 700 ℃时大于100 Pa·s，煤样的基本煤质特征及部分工艺性质见表1～表3。从表1～表3分析结果可知:大同煤为低阶气煤，此次选用的煤样全水含量13.8%，为中高全水分煤;固定碳含量47.47%，为低固定碳煤;挥发分39.35%，为高挥发分煤;灰分21.74%，为中灰煤;全硫含量1.22%，为中硫煤灰;熔融温度较高，灰成分中的Al2O3高，同时其SiO2的含量超过40%，即其不能满足气流床气化工艺液态排渣炉的一般要求(FT<1 450 ℃)。大同煤有黏结性，热稳定性差，弱结渣性，抗碎强度较好，1 100 ℃时煤对二氧化碳的反应率为69.7%，反应性较差。

表1 大同煤工业分析及元素分析 %

表2 大同煤煤灰成分 %

表3 大同煤的气化特性 %

1.2 助熔剂的选取

降低煤灰熔融温度的方法包括在煤中添加含有Fe2O3、CaO、MgO等碱性氧化物的助熔剂，通常选择CaO和Fe2O3的碱性氧化物为助熔剂[8,9]。对大同煤进行添加助熔剂CaO降低灰熔融温度的研究，包含以CaO为主的常见助熔剂石灰石。

1.3 实验方法及降熔实验

煤灰熔融温度测定以GB/T 219—2008为基准，在弱还原性气氛下对7个添加不同量助熔剂的大同煤样进行煤灰熔融特性及煤灰黏度测定,添加助熔剂以降低灰熔融温度的方案见表4，再对添加后试样煤灰熔融温度进行测试。表中的实际CaO添加量由石灰石添加量折算而得。

根据煤灰熔融温度结果，绘制添加不同比例助熔剂后煤灰熔融温度的变化曲线，以使煤灰熔融变形温度(FT)降低至约1 450 ℃时为合理的助熔剂添加量，得出最终的大同煤的助熔剂添加最适宜比例。然后对该最佳添加比例的助熔剂在弱还原性气氛下进行煤灰高温黏度特性测定，以评判添加助熔剂后煤灰的流动性。

表4 降低大同煤灰熔融温度的石灰石及实际CaO添加量

2 实验结果与讨论

2.1 助熔剂对煤灰熔融性的影响

大同煤样的石灰石添加量与其流动温度(FT)关系如图1所示。

图1 大同煤样的石灰石添加量与其流动温度(FT)关系

由图1可见，当石灰石的添加量小于8%时，降低灰熔融温度的趋势不明显;当石灰石的添加量为8%～10%时，降低灰熔融温度的趋势明显;当石灰石的添加量大于10%时，降低灰熔融温度的趋势不明显。为满足干煤粉气化炉液态排渣，原料煤的石灰石添加量应略高于8%。为确保添加助熔剂后的大同煤能满足干煤粉气化炉液态排渣要求，适宜的石灰石的添加量应为10%。

2.2 灰中氧化钙含量对煤灰熔融性的影响

灰中氧化钙的添加量与流动温度(FT)关系如图2所示。

图2 灰中氧化钙添加量与流动温度(FT)关系

由图2可见，当大同煤灰中CaO含量增加至9%～20.73%时，流动温度(FT)变化趋势不明显;当煤灰中CaO含量增大至20.73%时，FT温度变化趋势明显;当煤灰中CaO大于23.98%时，FT温度变化趋势缓慢;当煤灰中的CaO为23.98%，煤的流动温度(FT)为1 410 ℃，因此大同煤添加石灰石的适宜比例应为10%。

2.3 助熔剂对煤灰黏度的影响

石灰石添加量为10%时大同煤的煤灰黏温特性变化如图3所示。

图3 石灰石添加量为10%时大同煤的煤灰黏温特性变化

由图1和图2试验结果得出适宜的石灰石添加量为10%。由图3可见，添加石灰石后的大同煤煤灰黏温特性有明显的改善，当温度为1 540 ℃时其黏度为25 Pa·s，当温度为1 590 ℃时其黏度为2 Pa·s，因此，当石灰石添加量为10%、温度大于1 540 ℃时煤灰具有很好的流动性，满足气流床气化的技术要求。

3 结 论

(1)大同煤原煤属于高灰熔融温度的低阶烟煤，满足固定床固态排渣气化炉及流化床气化炉，不满足气流床液态排渣气化炉的技术要求。但通过添加助熔剂CaO可降低大同煤的灰熔融温度，可满足气流床液态排渣气化炉的技术要求。

(2)煤中灰成分对煤灰熔融性温度有很大影响。随着助熔剂CaO添加量的增加，大同煤的煤灰熔融性温度不断降低。当助熔剂石灰石添加量为10%时，随着助熔剂的量增加，灰熔融温度变化不大，因而助熔剂添加量10%时最为适宜。

(3)助熔剂CaO对煤灰黏温特性有很大影响。当石灰石添加量为10%时，随着温度提高，煤灰的黏度不断降低；当炉内温度为1 540 ℃时，黏度降低至25 Pa·s后，煤灰具有很好的流动性，可满足气流床的技术要求。