灰化溫度對準東煤灰成分和灰熔融特性溫度的影響研究

李樂安

（華電國際電力股份有限公司，北京100031）

灰化溫度對準東煤灰成分和灰熔融特性溫度的影響研究

李樂安

（華電國際電力股份有限公司，北京100031）

利用ICP-OES和灰熔融儀研究了灰化溫度對兩種準東煤灰成分及灰熔融特性的影響。結果表明，五彩灣煤（WCW）和西黑山煤（XHS）的灰產率隨著灰化溫度的增加而降低；Ca和Fe含量越大灰產率的相對變化率越大，低溫灰的氧化物加和值越小。隨著灰化溫度升高，煤灰中鈉含量降低，其它常量元素含量變化不大；灰化溫度對WCW和XHS的灰熔融特性影響較小。

準東煤；灰熔融性；灰成分；灰化溫度

0 引言

由于新疆地理位置的特殊，交通條件和經濟因素制約，新疆的煤炭資源無法大規模外運。已經勘探發現的準東煤礦蘊含3900億噸煤資源，而且準東煤的著火燃盡熱性好，灰分低，硫含量低。如果準東煤能夠就地應用于電站發電，將很大程度緩解我國的煤資源短缺問題[1]。新疆部分電廠已經開始摻燒準東煤，并相應的做了鍋爐改造[2]。但是，由于對準東煤質特性的認識不夠充分，在燃用準東煤的電廠中都出現鍋爐尾部受熱面嚴重的粘污、堵塞、積灰等問題，甚至危害到鍋爐的正常運行，大大減低了鍋爐的利用率及影響了鍋爐的安全經濟運行[3]。

付子文[1]在對準東煤灰理化特性的研究中指出，灰化溫度過高會將導致堿金屬揮發，而煤灰中Ca、Mn、Mg、Ti和Al含量基本不變。范建勇[4]對準東原煤和國標灰進行分析得到，煤中的主要常量元素在國標法灰化過程中都有不同程度的逃逸。而且灰化溫度從815℃降低到500℃后，灰的ST溫度為1230℃，比國標法的ST溫度1330℃低100℃。王云剛[5]在堿溝煤摻混準東煤的實驗中指出，當準東煤摻混比增大，混合后灰的灰熔融性溫度先降低后升高。

灰分的制備條件對煤灰成分和灰熔融性有重要的影響[6]。本文在前面研究的基礎上，進一步較全面的探究灰化溫度對準東煤灰成分和灰熔融特性的影響，以期為燃煤電廠大規模利用準東煤提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 煤質分析和灰化過程

本實驗選用兩種典型的準東高鈉煤作為實驗煤樣：WCW和XHS。實驗煤樣都經過破碎縮分到0.2mm。具體的煤質參數見表1。從表1可以看出WCW和XHS的工業分析、發熱量和元素分析參數很相似，都是水含量高、揮發分含量高、發熱量低、灰分和硫含量低。

表1 煤質參數分析

參照GB/T 212中灰分的測定過程進行樣品的灰化：在預先灼燒至質量恒定的灰皿中，稱取粒度小于0.2mm的煤樣（1±0.1）g，當馬弗爐升到目標溫度（400℃、815℃）后分別將煤樣放入恒溫灰化2h，并檢查性灼燒至灰化完全。

1.2 煤及灰中常量元素的測定

使用Anton Paar公司生產的Multiwave 3000微波消解儀對灰樣及原煤樣進行消解，灰樣稱量25±5mg，煤樣稱量400±50mg。灰樣消解用酸：5mL HNO3和1mLHF，煤樣消解用酸：6mL HNO3，1mLHF和2mL H2O2。然后使用PerkinElmer公司生產的Optima 8000 ICP-OES電感耦合等離子體原子發射光譜儀測定消解液中常量元素的含量。并進行重復性實驗。

1.3 灰熔融性測定

參照GB/T 219規定的角錐法，在弱還原性氣氛和氧化性氣氛下測定樣品的灰熔融特征溫度：變形溫度（DT）、軟化溫度（ST）、半球溫度（HT）和流動溫度（FT）。

2 結果與討論

2.1 灰化溫度對WCW和XHS灰產率和灰成分的影響

圖1 WCW和XHS在不同溫度下的灰產率

由圖1可以得出，隨著灰化溫度從400℃升高到815℃，WCW和XHS的灰產率分別下降0.65和0.5。說明兩種準東煤都隨著成灰溫度升高灰產率下降。WCW和XHS在815℃下灰產率的相對變化率為16.62%和 7.53%，灰產率的相對變化率定義如下式（1）。對比WCW和XHS灰產率的相對變化率可知，雖然灰產率都隨成灰溫度升高而降低，而WCW的相對變化率較XHS明顯增大，說明不同成灰溫度下灰產率的相對變化率和煤種密切相關。

式中X—灰產率的相對變化率，%；

Wt—成灰溫度為t時的灰產率，%；

W400—成灰溫度為400℃時的灰產率，%。

從表2可以看出，當灰化溫度在400℃和815℃時，WCW煤灰中9種常量元素的氧化物加和值分別為64.49%和79.70%，XHS煤灰的氧化物加和值分別為84.76%和92.21%。WCW煤灰常量元素氧化物的加和值遠小于100%，且隨著灰化溫度的升高加和值逐漸增大，XHS煤灰常量元素氧化物加和值也隨著灰化溫度的增加而增加，但較WCW更接近100%。這主要是由于WCW較XHS灰中Ca和Fe的含量增大，在低溫下Ca和Fe大部分以碳酸鹽的形式存在，碳酸鹽中的二氧化碳沒有被計入常量氧化物中。而且碳酸鹽在500℃左右開始分解成二氧化碳和金屬氧化物，如反應方程式（2）和式（3）。馬巖[7]在研究灰化溫度對準東煤礦物質演變的研究中指出，低溫灰化的準東煤樣品在815℃下發生高嶺石失水轉變為偏高嶺石，方解石將分解成氧化鈣。由于WCW煤灰中Ca和Fe的含量在40%左右，XHS中Ca和Fe的含量只有20%左右，WCW和XHS煤灰氧化物的加和值都隨著灰化溫度的增加而增加，而XHS的加和值大于WCW。碳酸鹽分解的量也能夠很好的解釋WCW和XHS灰產率及灰產率的相對變化率隨成灰溫度的變化關系，因此煤灰產率和灰產率的相對變化率也主要和灰中的Ca和Fe相關。

從表2還可以得出，在400℃和815℃的灰化溫度下，WCW和XHS煤灰中的氧化物P2O5、Fe2O3、SiO2、MgO、CaO、TiO2、Al2O3和K2O的含量都隨著灰化溫度的增加而增加。WCW煤灰的Na2O在400℃的灰化溫度下的含量為6.45%，而在815℃下為4.88%，隨著灰化溫度的增加，Na2O含量有明顯的降低。XHS煤灰中的Na2O含量也隨著灰化溫度的增加而降低，但只降低了0.2%。說明高鈉煤中的Na在灰化過程中存在逃逸，而且隨著灰化溫度的增加逃逸率增大。同時對比WCW和XHS兩種高鈉煤的逃逸率，得出Na的逃逸率和煤種有很大的關系，但是Na的逃逸率并沒有隨著灰中Na含量的增加而增加，而是其它因素主要影響了Na逃逸。

表2 不同灰化溫度下的WCW和XHS煤灰成分分析%

2.2 灰化溫度對WCW和XHS灰熔融性的影響

表3 不同灰化溫度下的WCW煤灰灰熔融性（弱還原性氣氛）

表3為WCW和XHS的煤灰灰熔融性特征溫度。從表3可以得出，WCW在還原性氣氛下的灰熔融性特征溫度較高，ST溫度接近1400℃，這主要是由于WCW煤灰中含有大量的CaO和F2O3。有基于CaO和F2O3的二元體系相圖結果分析指出[8，9]，灰熔融性溫度隨著氧化鐵含量的增大，特征溫度總體上呈現降低的趨勢。當鐵鈣摩爾比為0.5時，灰熔融性溫度呈現突降的趨勢，而當鐵鈣摩爾比為1.0時，灰熔融性溫度接近1200℃，此時氧化鐵的含量達到39.01%。而當氧化鐵含量為0.1的體系（質量百分含量10.09%），灰熔融性溫度值都處于較大水平，大于1500℃。氧化鐵含量在10%以下時，都不會明顯降低灰熔融性溫度，但氧化鐵含量再升高時，灰熔融性溫度迅速降低。同時對于WCW煤灰，由于其Na會在灰化過程中存在較大逃逸率，降低了Na對灰熔融性的助熔作用，所以WCW的灰熔融性特征溫度較高。從表3還能看出，不同灰化溫度下的WCW煤灰灰熔融性特征溫度基本一樣，說明灰化溫度對灰熔融性溫度影響較小。

從表3可以得出，XHS的灰熔融性特征溫度較低，而灰化溫度對XHS的灰熔融性特征溫度影響也較小。這主要是XHS煤灰中Na的逃逸率較小，而Na可以破壞硅鋁氧化物的網狀結構形成低灰熔融特性溫度的長石類化合物，使灰熔點有效降低[10，11]。

3 結語

WCW和XHS的灰產率都隨著灰化溫度的增加而降低，而灰成分分析中氧化物的加和值隨著灰化溫度的增加而增加。815℃下灰產率的相對變化率隨著Ca和Fe含量的增加而增大，400℃灰中氧化物加和值隨著Ca和Fe含量的增加而減小。

WCW和XHS中Na在灰化過程中存在逃逸，且隨著灰化溫度的增加而增加，WCW和XHS的其它常量元素在灰化過程中基本不逃逸。WCW煤灰的灰熔融性特征溫度較高，ST溫度接近1400℃，XHS的灰熔融性特征溫度較低，灰化溫度對WCW和XHS的灰熔融性影響都很小。

[1]付子文，王長安，車得福，等.成灰溫度對準東煤灰理化特性影響的實驗研究[J].工程熱物理學報，2014，35（3）：609~613.

[2]景雪暉，陶玉潔，李濤，等.不同采礦深度準東煤物化特新和燃燒特性研究[J].能源工程，2014，（1）：71~74.

[3]劉璀巍，胡龍.葦湖梁電廠鍋爐燃用新疆準東煤特性研究[J].發電與空調，2012，31（6）：45~47.

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[5]王云剛，趙欽新，馬海東，等.準東煤灰熔融特性試驗研究[J].動力工程學報，2013，33（11）：841~846.

[6]Wall T F，Gupta S K，Gupta R P，et al.False deformation temperatures for ash fusibility associated with the conditions for ash preparation[J].Fuel，1999，78（9）：1057~1063.

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[11]毛軍，徐明后，李帆.堿性礦物質對煤灰熔融特性影響的研究[J].華中科技大學學報，2003，31（4）：59~62.

Effect of the Ashing Temperature on the Major Element Contents in Zhundong Coal Ash and its Fusion Characteristics

LI Le-an
（Huadian Power International Corporation Limited，Beijing 100031，China）

The influence of ashing temperature on mineral migration and ash fusion characteristics of Zhundong coal was investigated by ICP-OES and ash fusion temperatures（AFTs）test.The results show that ash yield of WCW and XHS decrease with increasing of ashing temperature.With increasing content of Ca and Fe，the rate of changing of ash yield increases and the added value of oxide in low temperature ash decreases.The sodium content decreases with increasing of ashing temperature.The other major elements unchanged during ashing.The ashing temperature has little effect on AFTs of WCW and XHS.

Zhundongcoal；ashfusioncharacteristics；majorelementcontentsincoalash；ashingtemperature

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.06.004

TQ534

B

2095-3429（2015）06-0011-03

2015-11-11

修回日期：2015-12-23

李樂安（1966-），男，山東聊城人，研究生，高級工程師，主要從事燃料管理工作。