灰中焦对煤灰熔融特性的影响

张勇 乔欣 朱容君 梁琳

摘要：本文向黄陵煤、神木河畔煤、神木海湾煤和山西煤中加入相对应煤的焦，可以改变煤的灰熔融温度。焦是炼焦煤料在焦炉内的高温作用下，经过热解、缩聚、固化、收缩等一系列复杂的物理化学过程而形成焦炭。随着煤炭加工深度和广度的快速发展，研究煤的灰熔融性高低尤为重要。所以，改变煤的灰熔融温度具有很重要的意义。实验用JFHR-3型微机灰熔点测定仪测定其在弱还原性气氛下的熔融温度并用X射线衍射（XRD）分析加入不同量焦煤的矿物质组成变化。实验结果表明，焦可以有效的改善煤灰熔融特性。

关键词：灰中;焦对;煤灰;影响

一、我国煤炭资源概况

我国煤炭资源丰富，煤炭储量占全世界的13%，煤炭产量占全世界的37%，消费量占全世界的32% 。煤中矿物质是煤的重要组成部分，在煤炭加工利用中起着不可忽视的作用，煤在燃烧时，矿物质转变成灰分。我国煤炭综合利用技术落后，煤炭的利用率低下。

二、我国煤炭用途和煤炭使用工艺

随着科学技术的不断进步，近几年来，煤炭用途和煤炭使用工艺发生了较大的变化。在冶金焦化行业，适应中国煤炭种类储量的要求，传统的顶装煤炼焦工艺受到冲击，捣固炼焦工艺得到推广与发展;在电力行业，新建或改建的发电厂纷纷采用煤种适应性强的循环流化床锅炉燃燒工艺，煤粉喷吹燃烧工艺不再是电厂锅炉的首选;在化工行业，煤化工产业方兴未艾，煤制甲醇，二甲醚，煤制油等，成为社会投资的热点，大量的煤化工项目相继立项，建设，投产，为煤炭的转化利用增添了一道靓丽的风景线。煤气化过程中，排渣方式是由煤灰熔点和煤结渣性决定的，煤燃烧时的结渣特性，以及气化时的排渣方式，可以用煤灰熔点进行预测[5]。煤气化时的气化炉，一般采用气流床，它采用液态排渣，对煤种有着严格的要求，否则，会引起炉膛结渣。因此，深入研究煤灰熔融性和煤炭结渣性，具有重要的现实意义。

三、煤灰的介绍

煤灰是一种极为复杂的无机混合物，通常都以氧化物的形式来表示煤灰的组成。化学分析结果表明，煤灰有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、 MgO、Na2O、K2O和SO3等氧化物构成。其中Fe2O3、CaO、 MgO、Na2O、K2O为碱性氧化物，SiO2、Al2O3、SO3为酸性氧化物，这些氧化物对于煤灰熔融温度的影响各不相同，Vassilev等、孙文娟分析了煤灰中化学成分以及矿物成分对煤灰熔点的影响，得出了碱性氧化物一般随着含量升高煤灰熔融温度会先降低后升高，酸性氧化物一般随着含量升高煤灰熔融温度会升高，煤灰中的SO3对煤灰熔融温度起到降低作用[7]。

半焦是煤气化的产物，与原煤相比在表面形态、内部结构及化学组成上都有很大的不同。

煤灰熔点的改变能够更好的利用煤，也能很好的解决炉膛内结渣的问题。本实验以半焦为添加剂来改变黄陵煤、神木河畔煤、神木海湾煤、山西煤的矿物组成，从而研究焦对煤灰熔融温度的影响。

四、实验部分

（一）实验用煤

本实验选取4种煤为研究对象，分别是：黄陵煤（1#）、神木河畔煤（2#）、神木海湾煤（3#）、山西煤（4#）。

（二）实验仪器

本实验用JFHR-3型微机灰熔点测定仪测量煤灰的灰熔点。本仪器由高温炉、控制箱以及计算机三部分组成。高温炉采用卧式炉，炉内加热元件为硅碳管。，最高加热温度达1500。C。

（三）煤灰的准备

1. 煤灰的制备

将选取的煤样分别在JF-100颚式破碎机中粉碎，再将其置于JF-100-1A密闭式制样粉碎机中，磨成0.2mm以下的微粒，煤粉在JF-4-10AS高效节能一体智能马弗炉中灰化。灰化好的煤灰，在玛瑙研钵中研磨，磨至微粒小于0.1mm。

2. 灰锥的制作

用0.1g/ml的糊精溶液，将研磨好的煤灰调成可塑状，将其用下刀铲下放入三角锥体的灰锥模中，挤压成灰锥，最后，将模内的灰锥推到玻璃板上，在空气中干燥，备用。

（四）结果分析

煤灰由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3、TiO2等组分构成。SiO2、Al2O3、SO3、TiO2属于酸性氧化物;Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O属于碱性氧化物。1#样品中含有81.99%的酸性氧化物，13.63%的碱性氧化物;2#样品中含有47.13%的酸性氧化物，50.81%的碱性氧化物;3#样品中含有59.22%的酸性氧化物，35.78%的碱性氧化物;4#样品中含有91.84%的酸性氧化物，8.15%的碱性氧化物。由于这四中样品中酸性和碱性氧化物的含量不同。在一般情况下，酸性氧化物有升高煤灰熔点的效果;碱性氧化物对煤灰起到助熔的作用，但也要在一定的范围内。

随着灰中焦添加量的增大，黄陵煤的DT、ST、HT和FT都呈逐渐上升的趋势，但在不同含量下，变化的幅度各不相同。灰中焦含量在10%以下时，黄陵煤的DT和ST增长缓慢，达到10%以上时，DT和ST增长幅度较大。灰中焦含量在15%以下时，黄陵煤的HT和FT增长缓慢，达到15%以上时，HT和FT增长幅度较大。由此可见，灰中焦能有效提高煤灰熔融特性。

随着掺焦量的升高，神木海湾煤的DT、ST、HT和FT整体成上升趋势。掺焦量在5%以下和10%～20%时DT、ST、HT和FT呈缓慢上升趋势，在5%～10%时DT、ST、HT和FT时略有下降，但整体高于原煤。所以灰中焦能够提高煤灰熔点。

山西煤当掺焦量小于15%时，其DT、ST、HT和FT整体成上升趋势。ST、HT和FT在掺焦量小于10%时增长幅度较大，在10%～15%时增长缓慢;DT在掺焦量为5% ～10%时增长幅度较大，在小于5%和10%～15%时增长缓慢。在掺焦量大于15%时，DT、ST、HT和FT成明显下降趋势，且低于原煤，这是因为随着焦量的增加，其中一些矿物质的含量比例也在增加，当碱性氧化物的含量高于原煤是，则它的灰熔点就会下降。

黄陵煤中添加10%的半焦，其煤灰在变形温度下的主要结晶矿物质为硬石膏、石英、钙铝黄长石等组成;添加15%的半焦，其煤灰在变形温度下的主要结晶矿物质为硬石膏、莫来石、钙铁辉石等组成。随着半焦加入量的增加，石英、钙铝黄长石的衍射峰逐渐消失，形成了莫来石、钙铁辉石的衍射峰。其中钙铝黄长石为助熔矿物，莫来石为耐熔矿物。在煤灰中，助熔矿物的百分比越大，灰熔点温度越低;助熔矿物的百分比越小，灰熔融温度越高。

五、结论

（一）半焦量在一定范围内升高煤灰熔点，过高会使灰熔点有所降低

（二）煤灰中酸性氧化物有升高煤灰熔点的效果;碱性氧化物对煤灰起到助熔的作用，但也要在一定的范围内。

（三）用XRD分析熔融过程中煤灰成分，可以看出焦的加入量可以改变灰中矿物质的含量。

参考文献：

[1]王阳，王汝峰，徐明珠，杨柳.中国21世纪能源发展趋势[J].黑龙江科技信息，2010，（22）：11

[2]龙永华，高晋生.煤中矿物质与气化工艺的选择[J].洁净煤技术，1998，4;34-37.

[3]吴诗勇.不同煤焦的理论性质及高温气化放应特性研究[博士].华东理工大学，2007-04-12，1

[4]巩学刚.从煤炭用途和使用工艺的变化看煤炭市场发展趋势[期刊].中国煤炭，2007-02-22，1-1

[5]周安宁，黄定国.洁净煤技术[M].北京：中国矿业大学，2010：20-25

作者简介：

张勇（1982-），民族：汉，性别：男，籍贯：四川省成都市，工作单位，西安集优企业管理咨询有限公司。