甘肅華亭多原料漿氣化爐爐渣的特性研究

尚穎穎，王新剛，王孝妹

（1.平涼職業技術學院生物化工系，甘肅 平涼 744000；2.甘肅華亭煤電股份有限公司，甘肅 華亭 744001）

0 引言

甘肅平涼地區華亭煤田為甘肅第一大煤田，是全國13 個大型煤炭基地之一，其不僅有優質的動力用煤，也具有目前全國最好的氣化用煤。以煤氣化為核心的多聯產系統（IGCC） 仍然是解決我國能源領域可持續發展的重要途徑之一，煤化工工藝千差萬別，不同的氣化工藝所產生的爐渣的組成及性質也是有差異的。然而煤氣化過程中會有大量的爐渣產生，以甘肅華亭煤電股份有限公司煤制甲醇分公司為例，每年的氣化爐渣達到24×104m3，爐渣的長期堆積一方面占用了大量的場地，產生揚灰，另一方面由于煤渣中部分重金屬及有毒物質的存在，嚴重破壞環境，甚至會自燃起火，因此大力發展煤氣化爐渣的轉化利用技術迫在眉睫，基于當前氣化爐渣的利用處于一種初級階段，在開發利用的過程中仍然存在利用效率低、發展不成熟、產品類型單一的問題，因此首要任務是研究清楚爐渣的基本特性，以此為基礎進行系統的應用研究并形成產業化，促進爐渣轉化利用技術的發展。

Wagner 等針對氣化爐渣中礦物組成進行研究，Acost 和Lin 分別就氣化爐渣的化學特性、物理特性及顯微結構進行研究。

孟慶鵬等就新疆準東德士古氣化爐爐渣特性做出研究報道，宋瑞領等對新疆高堿煤、寧東煤氣化爐渣的特性做出了報道，但是對甘肅華亭中低變質煤在多原料漿氣化爐中產生的爐渣的特性研究鮮少報道。

因此研究的樣品來自甘肅華亭煤電股份有限公司60 萬t/a 煤質甲醇項目，陳礦中低變質煤在多原料漿氣化爐產生的爐渣，采用X 射線熒光光譜（XRF）、掃描電鏡（SEM）、X 射線衍射（XRD）及電子顯微鏡等測試手段，研究了樣品的化學成分、微觀形貌、礦物組成及顯微結構，旨在為該氣化爐渣的綜合應用奠定理論基礎。

1 實驗部分

1.1 藥品與設備

賽默飛3600 型X 射線熒光光譜分析(XRF)，SU8010 掃描電子顯微鏡（SEM），SOPTOP CX40 光學顯微鏡，日本理學(RIGAKU) Ultima IV 衍射儀（XRD），XL-2(不銹鋼)箱式高溫爐(馬弗爐)，BSA223S-CW 電子天平。

1.2 樣品處理

選取的3 組樣品，原煤采自華亭陳礦煤田中低變質煤，采用水煤漿加壓氣化工藝技術，三環隙單噴嘴進料，利用激冷流程和液態排渣的造氣工藝，將煤在氣化爐中完全氣化后剩下的爐渣。該氣化爐渣是煤中灰分和添加劑在氣化爐中高溫條件下形成的，以液態形態由鎖斗收集定期從爐底排出。將從現場采集的爐渣粉碎，在干燥箱105 ～110 ℃下烘6 ～8 h，篩分成不同的顆粒粒度74 μm（200 目）、46 μm（325 目） 和37 μm（400 目），根據其顆粒粒度不同選取3 份分別標記為華亭01、華亭02及華亭03 并進行后續測定與分析。

1.3 燒失量的測定

將處理好的樣品稱取約1 g，精確至0.0001 g，置于已灼燒恒量的瓷坩堝中，將蓋斜置于坩堝上，在高溫爐內，從低溫開始逐漸升高溫度，在（90±25） ℃下灼燒15 ～20 min 后，將坩堝取出并置于干燥器中，冷卻，室溫，稱量，反復灼燒，直至恒重。

1.4 XRF 分析

為了鑒定不同樣品的化學成分含量，采用XRF 測定了各樣品的化學成分并對其進行分析。測定前將樣品烘干。

1.5 SEM 分析

為了解不同樣品的微觀形貌，用SU8010 掃描電子顯微鏡觀察各樣品的結構并分析。工作電壓為10 kV，工作距離9.0 mm，放大倍率為20.0 k。樣品測定前噴金處理。

1.6 光學顯微分析

為了解不同樣品的表面形貌和內部結構，將3個樣品附著在載剝片上采用SOPTOP CX40 光學顯微鏡對其進行觀察。

1.7 XRD 分析

為進一步確定樣品的物相組成，將樣品研磨到0.074 mm 后做X 射線衍射分析。選用日本理學(RIGAKU) Ultima IV 衍射儀，測試電流是40 mA，電壓40 kV，波長0.1517 nm，步長0.02 度，檢測角度為10°～80°。測定前將樣品烘干。

2 結果與討論

2.1 不同樣品的化學組分分析

樣品化學成分及含量見表1。

表1 樣品化學成分及含量Table 1 Chemical composition and content of samples

由表1 可知，3 個樣品的氣化爐渣含量盡管存在一定的差異，但其主要成分均為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 及殘碳，其中SiO2含量最高，特別是01 號樣品的SiO2含量達到53.99%。 SiO2、Al2O3、Fe2O3作為參與火山灰反應的主要氧化物，三者含量的多少對于評價建材等原料的性能至關重要，因此部分國家將其含量的多少作為煤灰的主要品質指標之一。美國粉煤灰標準［ASTM(C 618-05)］規定，應用于水泥和混凝土的低鈣粉煤灰(F 級灰)和中鈣粉煤灰（N 級灰） 中，SiO2+Al2O3+Fe2O3的含量必須占化學成分含量的70%以上，高鈣粉煤灰（C 級灰） 中，三者含量必須占50%以上。3 個樣品中01、02、03 號樣品中SiO2+Al2O3+Fe2O3的含量分別為83.16%、78.98%和66.73%，可看出其活性很高，03 號樣滿足高鈣粉煤灰（C 級灰） 中三者含量必須占50%以上的要求，01 號、02 號樣均符合低鈣灰和中鈣灰中三者含量必須占70%以上的要求，特別是01 號樣品的質量分數高達83.16%，這為后續該爐渣作為混凝土的摻合料奠定了基礎。

燒失量又稱灼減量，其大小對混凝土的力學性能、耐久性等性能影響至關重要。若燒失量大，則使得粉煤灰的減水效應和活性效應大大降低，在《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596-91） 規定：燒失量（%） ≤Ⅰ級5% 、Ⅱ級8 % 、Ⅲ級15%。3 個爐渣樣品中的燒失量分別為3.46%、5.43%和8.43%，燒失量均較低，可作為混凝土的摻合料，有利于后續混凝土的應用。

SO3的含量對混凝土的坍落度和擴展度影響尤為明顯，是影響混凝土性能的重要因素之一，如果SO3的含量超過國家標準規定，會導致混凝土產生膨脹、開裂等危害。在GB/T 1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》 中對SO3的含量要求在3%以內。01、02 和033 個爐渣試樣的SO3的含量分別為0.35%、1.92%、0.46%，三者均滿足含量在3%以內的要求，說明了該爐渣可以作為混凝土摻合料。

2.2 不同樣品的SEM 分析

掃描電鏡可以較為清楚地觀察顆粒表面的微觀形貌，本實驗采用掃描電鏡對3 個爐渣試樣進行了觀察。

不同樣品的掃描電鏡圖如圖1 所示。

圖1 不同樣品的掃描電鏡圖Fig.1 SEM images of different samples

由圖1 可見，氣化爐渣的表面有殘碳存在，形狀大小各不一樣，圖01a 和01b 表面殘碳呈致密的波浪狀，02 號樣表面殘碳呈長片狀，03 號樣表面殘碳呈雪花片狀。

N.J.Wagner 等認為殘碳在煤氣化過程中形成有2 方面的原因：①未燃燒的碳顆粒被氣化爐內溫度低的區域捕獲導致其沒有完全轉化；②煤粉顆粒在氣化爐里面停留時間較短，顆粒內部沒有來得及氣化就被移出氣化爐。同時從3 個樣品的表面形貌還可以看出：01 號樣品表面不平整呈不規則形狀，表面出現許多凸起的熔融物（01a、01b、01c），02和03 號樣品表面較為相似。

由圖02a 和02b 可見，02 號樣品表面結構相對較為疏松，呈多孔結構，表面有許多長片狀的物質，且出現了球狀玻璃體結構，這可能是由于爐渣中Al2O3、SiO2與CaO、MgO 等堿性組分在高溫下形成了共熔體，急速冷卻后形成了球狀玻璃體和細小的殘渣顆粒，從整體來看殘渣顆粒較為豐富，且小顆粒球體主要分布在空隙和大顆粒塊體的凹槽部分。這種形貌主要是氣化爐渣在形成過程中聚集在爐體內壁的熔融液相經表面張力作用形成的。相比01、02 號樣，03 號樣的表面顯得相對平整，殘碳呈雪花片狀，且表面出現了一個較大的被許多殘碳包圍的球狀玻璃體（圖03c）。

2.3 不同樣品的光學分析

顯微鏡可以較為清楚地觀察顆粒表面形貌和內部結構，為了進一步觀察3 個爐渣樣品中各礦物的形態和分布情況，本實驗采用SOPTOP CX40 光學顯微鏡3 個爐渣試樣進行了觀察。

不同樣品的顯微鏡圖如圖2 所示。

圖2 不同樣品的顯微鏡圖Fig.2 Microscopic images of different samples

由圖2 可見，3 個樣品的爐渣中均可見石英、殘碳及方解石。其中石英呈球狀玻璃體，殘碳形態多樣，大小不一，呈片狀、網狀等，方解石呈微小的碎粒狀分布，少見。由圖2 中球狀玻璃體多少來看，01 號樣品最多，02 號樣品次之，03 號樣品最少，這與3 個樣品的化學成分結果相一致，這可能是煤灰中的沉珠。

2.4 不同樣品的XRD 分析

不同樣品的XRD 圖如圖3 所示。

圖3 不同樣品的XRD 圖Fig.3 X-Ray diffraction images of different samples

由圖3 可見，3 個氣化爐渣樣品中均有晶相物質石英、少量碳和方解石，從圖中峰的高低相比較，石英含量最高，方解石次之、碳最少，這與3個樣品的化學成分結果相一致。但不同的是01 號樣、02 號樣中含有少量的方解石，而03 號樣中方解石相比較少，這與3 個樣品的化學成分CaO 的結果基本相一致。同時這3 個樣品中均含有碳，說明了這3 個樣品在氣化爐渣未燃燒盡而殘留下來，這也與其化學成分結果相一致。根據尹洪峰等研究可得，3 個爐渣樣品中的石英是由高溫液相冷卻過程中玻璃相分析結晶而成，方解石則是為了調整灰分的熔點和熔體性質而引入的助溶劑，由于顆粒粒徑較大，在氣化爐中停留時間較短，沒有完全分解而殘留在氣化爐渣中。

3 結 論

（1） 華亭中低變質煤在多原料漿氣化爐中產生的氣化爐渣的主要化學成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO 及殘碳，SO3和燒失量均符合要求，可作為混凝土的摻合料。

（2） 爐渣的微觀形貌呈多孔結構，有球狀玻璃體，殘碳大小不一。

（3） 樣品的巖相組成主要為石英及微量的碳和方解石。