晉城無煙煤灰熔融溫度的助熔調控方法研究

楊 麗 超

(晉煤集團煤化工研究院，山西 晉城 048006)

0 引 言

煤灰熔融溫度指煤灰在加熱過程中逐漸熔化成液態時的溫度，其為氣化用煤的重要指標之一[1]。煤炭氣化是潔凈、高效利用煤炭的主要途徑之一，為保證氣化效率，在氣流床煤氣化工藝中多采用液態排渣工藝[2]。固態排渣煤氣化技術一般要求灰熔融軟化溫度(ST)不低于1 250 ℃[3]，而液態排渣煤氣化技術則通常要求灰熔融流動溫度(FT)低于1 400 ℃。目前，液態排渣氣化技術由于煤種適用性廣、碳轉化率高、環境友好等優勢，已成為煤氣化技術的發展方向[4-5]。

為此，國內外學者對煤灰熔融溫度的影響因素及高灰熔融溫度煤如何用于液態排渣氣化技術開展了大量研究[6-12]。孔令學等[13]研究發現，在一定量的添加范圍內，隨著CaO添加量的增加，煤灰熔融溫度呈現先降低后升高的趨勢。劉碩等[14]從礦物質角度解釋氧化鈣的助熔原理，即CaO易與煤灰中其他組分形成鈣長石、鋁酸鈣及鈣黃石等低熔融礦物，從而使灰熔融溫度下降。白進等[15]研究表明，不同助熔劑的助熔效果為:MgO>CaO>Fe2O3。

晉城礦區煤炭累計探明儲量 44.81 億 t，主要賦存地層為二疊系下統山西組和石炭系上統太原組，共含煤7～16層，煤層總厚13.5m，其中主要可采煤層為3號和15號煤層，局部可采煤層為9號和2號煤層，可采煤層以無煙煤為主。晉城地區相關企業積極研發適應晉城無煙煤的液態排渣氣化技術并已開展中試試驗。為研究晉城無煙煤用于液態排渣氣化工藝時灰熔融溫度的適應性，以下分析煤灰化學組成及酸堿比等參數對晉城無煙煤灰熔融溫度的影響，在此基礎上研究助熔調控方法，以期為指導晉城無煙煤用于液態排渣氣化技術提供參考。

1 晉城無煙煤灰熔融溫度

煤灰熔融溫度的測定采用角錐法[16]:將煤灰和糊精混合，塑成一定大小的三角錐體，放在特殊的煤灰熔融溫度測定爐中以一定的升溫速度加熱，觀察并記錄灰錐變形情況及其4個特征溫度:變形溫度(DT)、軟化溫度(ST)、半球溫度(HT)和流動溫度(FT)，其中ST為固態排渣氣化技術考慮的指標，FT為液態排渣氣化技術考慮的指標。煤灰熔融溫度分級見表1[17]，晉城無煙煤的灰熔融溫度見表2。

表1 煤灰熔融溫度分級Table 1 Classification of coal ash melting temperature ℃

表2 晉城無煙煤的灰熔融溫度Table 2 Ash melting temperature of Jincheng anthracite

由表2可知:寺河3號、長平3號、趙莊3號、寺河二號井15號和胡底3號無煙煤的軟化溫度(ST):>1 350 ℃～1 500 ℃，均屬較高軟化溫度灰；其他礦井無煙煤的ST大于1 500 ℃，屬高軟化溫度灰。晉城所有礦井無煙煤的FT均大于1 500 ℃，屬高流動溫度灰，因此，晉城無煙煤適宜于固態排渣氣化技術，但不能直接用于較為先進的液態排渣氣化技術，因而需為晉城無煙煤的液態排渣氣化工業應用進行前期的基礎研究。

2 影響灰熔融溫度的因素分析

煤灰熔融溫度的高低主要與煤灰化學組成相關。煤灰化學組成通常由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5等氧化物構成，其中Al2O3、SiO2和TiO2等為酸性氧化物，CaO、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O為堿性氧化物。晉城10個礦區無煙煤灰化學成分見表3，晉城無煙煤主要煤灰組分、酸堿比與灰熔融溫度的對應曲線如圖1所示。基于晉城無煙煤灰熔融溫度較高，許多指標超過1 500 ℃檢測不到，只有DT的數據最全，故僅選擇DT相關數據制圖。

圖1 晉城無煙煤主要煤灰組分、酸堿比與灰熔融溫度的對應曲線Fig.1 Curve of ash composition,acid-base ratio and ash melting temperature of Jincheng anthracite

由表3可見:

表3 晉城無煙煤灰化學成分Table 3 Ash composition of Jincheng anthracite

(1)晉城無煙煤煤灰主要成分為SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3，其中SiO2含量在46%～58%，平均值約為52%；Al2O3含量在27%～37%，平均值約為32%；CaO含量在2%～6%，平均值約為4%；Fe2O3含量在3%～7%，平均值約為5%。總之，煤灰主要成分SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3各自含量的高低對灰熔融溫度的影響不太明顯。

(2)酸性氧化物總含量在80%～90%，平均值約為85%；堿性氧化物總含量在9%～18%，平均值約為13.5%。酸性氧化物總含量的高低與灰熔融溫度的高低基本一致，即酸性氧化物含量越多，煤灰熔融溫度就越高，具有提高煤灰熔融溫度的作用；堿性氧化物總含量的高低與灰熔融溫度的高低總體相反，即堿性氧化物含量越多，煤灰熔融溫度就越低，具有降低煤灰熔融溫度的作用。

(3)酸性氧化物總含量與堿性氧化物總含量之比即為酸堿比。晉城無煙煤的酸堿比在4.6～7.6，平均值約為6.1。晉城無煙煤灰熔融溫度的變化曲線與酸堿比的變化曲線最為吻合，即灰熔融溫度隨著酸堿比的增加而增加。因此，晉城無煙煤灰組分中酸性氧化物含量高、堿性氧化物含量低、酸堿比高，此為導致灰熔融溫度高的原因，可通過增加煤灰中堿性氧化物的含量及降低酸堿比以調節降低其灰熔融溫度。

3 晉城無煙煤灰熔融溫度的調控

晉城無煙煤灰熔融溫度的調控一般采用添加堿性助熔劑或摻配高堿性氧化物含量煤的方式，分別介紹如下:

(1)添加堿性助熔劑。堿性助熔劑主要包括石灰石系列(有效成分CaO)、鐵系列(有效成分Fe2O3)、堿金屬系列(有效成分MgO、Na2O、K2O等)產品及一些復合堿性助熔劑產品，至于哪種助熔劑效果更好，目前尚無定論。但出于添加成本考慮，工業生產中一般選用石灰石。

晉城無煙煤添加石灰石后的灰熔融溫度數據見表4，對應曲線圖如圖2所示。

圖2 晉城無煙煤添加石灰石后的灰熔融溫度Fig.2 Ash melting temperature of Jincheng anthracite after adding limestone

由圖2及表4可見，晉城無煙煤灰熔融溫度FT隨著石灰石的加入而有所降低，但當石灰石添加量超過一定值時，灰熔融溫度則不再降低，由于CaO本身的熔融溫度很高(約2 600 ℃)，因此當CaO出現過剩時，灰熔融溫度不降反增。晉城無煙煤添加石灰石的最優比例約在2%～4%，此時灰熔融溫度FT最低(在1 400 ℃以下)，可滿足液態排渣氣化技術對煤灰熔融溫度的要求。

表4 晉城無煙煤添加石灰石后的灰熔融流動溫度Table 4 Ash melting temperature of Jincheng anthracite after adding limestone

(2)配煤。晉城長平礦3號無煙煤摻配神木煤后的灰熔融溫度見表5。其中，實驗用神木煤的主要指標如下:水分(Mad)為3.11%，灰分(Ad)為6.65%，揮發分(Vd)為33.08%，固定碳(FCd)為60.27%，FT為1 173 ℃。

由表5可見:① 摻配神木煤40%、50%和60%時，長平礦3號無煙煤的灰熔融溫度FT依次可降低至1 376 ℃、1 362 ℃和1 364 ℃。② 神木煤灰成分中酸性氧化物含量低，堿性氧化物含量高，尤其是CaO含量高達20%以上，與長平煤摻配后有效地降低了煤灰中的酸堿比(酸堿比從6降低至3.5以下)，進而達到降低晉城無煙煤灰熔融溫度的效果。

表5 長平礦3號煤摻配神木煤后的煤灰組成和灰熔融溫度Table 5 Ash composition and ash melting temperature of Changping No.3 coal mixed with Shenmu Coal

4 結 語

煤灰熔融溫度是氣化用煤的重要指標，晉城無煙煤灰熔融溫度普遍很高，FT均在1 500 ℃以上，適宜固態排渣氣化技術，但不能直接用于液態排渣氣化技術，故需對其進行工業應用前期基礎研究。

原因分析:晉城無煙煤灰組分中高酸性氧化物含量(80%～90%)、低堿性氧化物含量(9%～18%)、高酸堿比(4.6～7.6)是導致灰熔融溫度高的原因。

調節方法:為了滿足液態排渣氣化技術對煤灰熔融溫度的要求，可通過增加煤灰中堿性氧化物的含量及降低酸堿比，以降低灰熔融溫度。常見方法有2種:① 添加石灰石，晉城無煙煤添加2%～4%的石灰石可將灰熔融溫度降低至1 400 ℃以下；② 晉城無煙煤摻配40%的高鈣神木煤即可將煤灰熔融溫度降低至1 400 ℃以下。

此外，晉煤集團晉開、天溪煤制油、華昱等公司的工業應用也驗證了晉城無煙煤可通過添加石灰石或配煤的方式用于液態排渣氣流床氣化工藝。但若用于固定床液態排渣氣化技術，由于其使用塊煤為原料，爐內物料添加石灰石后能否混勻及達到實驗室的預期效果還有待進一步工業驗證。