煤灰熔融性對氣化用煤的影響
2019-03-05 21:24:32韓艷芳
科學與技術 2019年3期
韓艷芳
摘要：氣化用煤中，煤灰熔融性是一個非常重要的指標，而煤灰熔融性，是指隨著溫度的升高，煤灰變形、軟化和流動等具有物理特征狀態的性能的變化的特征。在高溫下，煤會發生一些列反應，最顯眼的就是燃燒，而在煤進行一系列的反應（礦物質在鍋爐中的動態變化）時，煤灰熔融性就是一個非常重要的影響因素，其次，也可以根據煤灰熔融性對鍋爐的結渣、沾污等狀態進行預測評估，所以，如果在煤質確定的情況下，就需要對鍋爐的性能進行設計、選擇，如果鍋爐的性能確定，則需要對煤的熔融性進行檢測，確保工作的順利進行。在國標GB/T 219—2008文件中就有氣化煤和動力煤熔融性的相關標準要求。因此，結合實際狀況，將實驗過程中產生的問題，從熱電偶的精確度、煤灰成分、試驗氣氛和實驗者操作時的嚴謹程度幾個方面對實驗中的結果進行分析，將煤灰熔融性對氣化用煤的影響進行探討，并總結出有效的處理方案。對于煤炭在生產中采用的氣化技術進行完善。其次，也應該嚴格控制原煤流動溫度和氣化爐溫度，確保前者溫度低于后者溫度，并結合實驗室的研究，以實驗室氣化用煤樣的實驗結果為依據，觀察在添加不同助溶劑或添加配煤（不同融熔性的煤）后，所取煤樣中煤灰熔融性的變化。再不斷調整助熔劑的種類、添加量、摻配煤種及摻配比例，以此來達到理想的效果。因此，本文就煤樣中所含灰成分做了抽樣分析，探析了煤灰熔融性對氣化用煤的影響，望能對煤炭氣化做出貢獻。
關鍵詞：煤灰熔融性;氣化用煤;煤灰變形;軟化;流動;助熔劑;處理方案
前言
對工業用煤的評價中，煤灰的熔融性也是重要指標之一，煤灰的熔融性也主要用于鍋爐的設計、選型。在實際的操作中，爐溫、進煤時機也會由于煤灰的熔融性的不同而不同。一般情況下，氣化爐、鍋爐輕微結渣，氣化爐、鍋爐受熱面輕微積灰的溫度和煤灰的形成溫度對應，氣化爐、鍋爐大量結渣，氣化爐、鍋爐內量積灰的溫度和軟化溫度成對應;流量、溫度則同時與多方對應，其中包含呈液態流動的爐中灰渣溫度、從熱力面上滴下溫度結渣和在爐柵上嚴重結渣的溫度三個部分。在上述的幾個特征溫度中，應用較為廣泛的為軟化溫度，在轉化的過程中，溫度的變化也尤為明顯，因此，一般根據轉化溫度來選擇需要的設備、鍋爐、燃燒等，有的也根據設備的性能來選擇符合要求載荷的原煤料。對于氣化爐的選擇，一般都以原料煤的流動溫度為參考進行選擇。現在的技術條件下，較先進的氣化爐，操作時的溫度會控制在1 400℃～1 600°C左右。還有一種Texeco和多元料漿氣化爐，操作時溫度一般控制在1 300℃～1 400℃。Texeco汽化爐在操作時溫度可能也會高出1400℃。因此，本文在討論煤灰熔融性對氣化用煤的影響時，以實驗的數據為參考，從各方面進行探討，以求對其能在氣化用煤的選擇時能做出更好的選擇。
一、煤灰熔融性的測定
經過對煤灰熔融性的概念進行闡述，可以得知，煤灰具有一定的物理狀態，如：在高溫下變形、軟化、半球和流動等，隨著溫度的升高，煤灰也隨之出現一系列的變化，首先表現出的是變形，用（DT）表示，伴隨著溫度的升高，出現軟化，因此，時的溫度稱之為軟化溫度（ST）。溫度進一步升高時變化為半球和流動，將此兩種狀態下的溫度稱之為半球溫度（HT）和流動溫度（FT）。根據上述的四種狀態溫度的變化，可以看出煤灰熔融性實際上是煤灰軟化時的溫度，因此，也可以將煤灰熔融性用ST代表。根據查閱GB/T219可以查得，測定煤灰熔融性的標準為在弱還原性氣氛下測得的結果。
1.1 煤灰熔融性和灰成分的關系
煤灰熔融性主要還是取決于煤灰的成分，煤灰的組成成分比較復雜，存在多種元素，如各種金屬元素：鈉、鎂、鋁、鐵、鈣。也包含有多種其他物質，如硅、碳、硫等，其中，鈣、鐵、硫、碳元素幾種元素是煤中的主要組成成分，根據大量實驗表明，煤中僅硫的存在形式就有很多種，如。有機硫、無機硫、硫化物、硫鐵礦、石膏等。其次，煤礦中還存在碳酸鹽、硅酸鹽、石英、高嶺土等等。雖然在經過高溫反應后大部分化合物被分解。煤灰中也存在其它組分，因此，煤灰熔融性與煤灰的成分之間存在很大的關系，煤礦在經過燃燒分解的產物中的元素和各種成分共同決定了煤灰的熔融性。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對煤灰熔融性起著重要的作用，其他五種化合物含量低，熔點相對較低，因此，對煤灰熔融性影響較小，但是，當SiO2、AI2O3、Fe2O3、GaO幾種氧化物含量不高，而SO3、MgO、TiO2其中的一種化和物含量較多時，對其影響也相對較大，因此，在進行實驗時，需要將各種化合物的含量進行確認。SiO2、AI2O3的熔融溫度都比較高，在進行燃燒時很難熔解，可以將其稱為難熔氧化物。由于這兩種氧化物的存在，煤灰熔融性也會增高。實驗表明，AI2O3只有在溫度超過2050℃的環境下才能分解，而當下先進的汽化爐溫度最只可高控制在1600℃左右，在汽化爐內的AI2O3也就不能分解，因此，煤灰中的AI2O3含量越多，煤灰的熔融溫度也會越高。根據實驗數據得知，煤灰的熔融溫度在1300℃-1500℃之間時，AI2O3的含量大約占煤灰的30%-40%;煤灰的熔融溫度在大于1500℃時，AI2O3的含量大約占煤灰的40%以上;當SiO2的含量小于60%時，其能夠起到“助熔”作用。當煤灰呈堿性時，SiO2的“助熔”作用更加明顯，但SiO2卻不能起到降低煤灰的熔融溫度的作用，與煤灰的熔融溫度關系不明顯。但是當的SiO2含量大于60%時，就會有明顯的增高灰熔融溫度的作用。經過研究發現，當煤灰中堿性氧化物含量升高時，煤灰的熔融溫度就會降低。在煤灰中，屬于堿性氧化物的有Fe2O3、GaO、MgO等，大部分堿性氧化物的熔點較低，所以，在一定程度上可以降低煤灰的熔融溫度。但是，部分堿性氧化物在煤灰的熔融溫度的作用還與所處的環境有關，比如Fe2O3的影響，灰渣所處的環境性質不同，其影響也不同。但是從整體的效果來看，趨勢是降低灰熔融溫度。GaO、MgO對降低灰熔融溫度效果比較明顯，通常也容易形成短渣，但是，這兩種物質的含量超過30%時，確不能降低灰熔融溫度，相反灰熔融溫度會有所升高。其次，煤灰中的Na2O也能夠有效降低灰熔融溫度。此外，實驗環境也是影響煤灰熔融溫度的一個因素，在氧化性的環境下，煤灰熔融溫度較還原性環境下會高出很多，如果氣化爐中的還原性氣體如CO、H2、CO較多，煤灰熔融溫度會相對較低，因此，建議在對煤灰熔融性進行測定時用具有弱還原性的氣體。
二、實 驗
自然界存在的煤的種類較多，在實驗室進行檢測時，可提供的選擇空間較大，比如無煙煤、褐煤、煙煤等。在進行實驗時，應該盡可能的選擇不同種類的煤樣，其中對高質量和低質量的煤樣也應該進行選擇。在進行試驗時，高灰融熔性的煤在進行檢測時可以適當的加入助熔劑，使其能夠適用液態排渣的氣化技術。在氣化的過程中的氣化條件也能應該進行控制。在低融熔性的煤進行實驗時，在其中加入相對較高融熔性的煤作為配煤，本次試驗中，選取了22個樣煤，實驗過程中的評價指標按照GB/T15規定執行，再對數據進行統計。最后數據如表1，加助熔劑實驗組數據記錄在表2中、表3;加配煤實驗組數據記錄在表4中;
三、結果與討論
4.1 助熔劑對煤灰熔融溫度的影響
可以從表1中看出，SiO2、AI2O3、Fe2O3是煤灰的主要組成成分。雖然也存在其它氧化物、化合物，但是含量都較少。通過上述表格的統計對比，煤灰中的SiO2、AI2O3的含量越高，煤灰的熔融性也會越高。有的煤灰樣品中的SiO2、AI2O3含量較少，但是對于CaO的含量超過35%的煤樣，煤灰的熔融性也較高，如表一中的10、11號樣品。表二中，煤樣中添加了CaO，可以看出，加了CaO的實驗組的煤灰熔融性都有所降低。在加入了助熔劑后，可以看到FT的值大幅度下降，但是在持續加入的過程中，FT的下降值會達到最高限度，再繼續隨著CaO的增加，FT有所升高，表中的6、7號數據便能夠得到有力的證明。當CaO的量最大達到30%，個別在最高35%時，煤灰的熔融性一直呈現出下降的趨勢，在超過30%，個別超過35%時，煤灰的ST和FT都會呈現出突然升高的狀態。對表3進行研究，可以得知，在加入SiO2后，煤灰的熔融性也會出現降低的趨勢。在10、11號實驗組的數據中便可以觀察到。當煤灰中的CaO的量高于35%，SiO2、AI2O3的含量相對較低時，在煤灰樣品種加入SiO2也可以起到助溶作用，但是當SiO2煤的量達到一定的程度時，煤灰的ST和FT都會突然升高。在01～08號煤灰樣中加入CaO，煤灰的FT也可以降至1400℃，通的對比，可以發現，幾組數據的變化趨勢也基本相似，但是煤灰的熔融溫度的降低幅度各不相同。同理，在09、10、11、18煤灰樣品中加入SiO2后，煤灰的FT也可以降至1400℃，煤灰的熔融溫度的降低幅度也不同。綜上可以得出結論，不同的煤樣需要選擇不同的助熔劑，且助熔劑的種類徐亞根據煤灰的種類選擇。
4.2 配煤改變煤灰融熔性
對于高灰融熔性的煤樣，需要與低灰融熔性的煤樣按照一定的比例搭配。實驗中的數據可以看出，加入配煤后，煤灰的融熔性也會有所改變。其次，在配煤的過程中，需要滿足氣化工藝要求，搭配的比例也要適合。對于在實驗過程中，經過配煤，灰熔融性仍然較高的，可以選擇通過加入助熔劑的方式來降低煤灰熔融性。但是，由于加助熔劑的方式能夠使灰分增加，因此，優先考慮使用配煤的方式來煤灰熔融溫度。對于配煤后煤灰熔融溫度無明顯變化的，再使用加入一定量的助熔劑來降低煤灰熔融溫度。這一點在表四中可以看出。
結語
氣化用煤一般要從多個方面來分析，其中包括工業性、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，在煤灰熔融性的測定中，首先要明確煤灰熔融性和灰成分的關系，也要明確煤灰的組成成分的復雜性，其存在多種元素，如各種金屬元素：鈉、鎂、鋁、鐵、鈣、硅、碳、硫等。然后對各種元素、助熔劑、配煤對煤灰熔融溫度的影響進行實驗驗證。當下，科技快速發展，氣化技術也得到了改進，一般都采用液態排渣技術，此種技術能夠保證在氣化過程中碳的高轉化率。氣化過程中，煤灰熔融性也是決定氣化爐的操作溫度的因素，在生產的過程中，配煤的效果較好，不僅能有效控制氣化爐的操作溫度，煤灰熔融溫度也不會很高，能夠維持在適宜的范圍之內。此種方法能夠有效延長氣化爐的壽命，整個生產過程的危險性因素也會大大降低。但是，在配煤的過程中，需要滿足氣化工藝要求，配煤的比例也要適合。所以，在此過程中需要做到細致、嚴謹。對于在生產過程中，經過配煤仍然灰熔融性較高的，可以選擇通過加入助熔劑的方式來降低煤灰熔融性。因此，要不斷創新改善煤灰熔融性的方法，以便在不同的排渣方式、不同煤種中更具備適應性。
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（作者單位：鄂爾多斯市神東檢測有限責任公司沙沙圪臺煤質采制化室）
