灰化温度对准东煤灰成分和灰熔融特性温度的影响研究

李乐安

（华电国际电力股份有限公司，北京100031）

灰化温度对准东煤灰成分和灰熔融特性温度的影响研究

李乐安

（华电国际电力股份有限公司，北京100031）

利用ICP-OES和灰熔融仪研究了灰化温度对两种准东煤灰成分及灰熔融特性的影响。结果表明，五彩湾煤（WCW）和西黑山煤（XHS）的灰产率随着灰化温度的增加而降低；Ca和Fe含量越大灰产率的相对变化率越大，低温灰的氧化物加和值越小。随着灰化温度升高，煤灰中钠含量降低，其它常量元素含量变化不大；灰化温度对WCW和XHS的灰熔融特性影响较小。

准东煤；灰熔融性；灰成分；灰化温度

0 引言

由于新疆地理位置的特殊，交通条件和经济因素制约，新疆的煤炭资源无法大规模外运。已经勘探发现的准东煤矿蕴含3900亿吨煤资源，而且准东煤的着火燃尽热性好，灰分低，硫含量低。如果准东煤能够就地应用于电站发电，将很大程度缓解我国的煤资源短缺问题[1]。新疆部分电厂已经开始掺烧准东煤，并相应的做了锅炉改造[2]。但是，由于对准东煤质特性的认识不够充分，在燃用准东煤的电厂中都出现锅炉尾部受热面严重的粘污、堵塞、积灰等问题，甚至危害到锅炉的正常运行，大大减低了锅炉的利用率及影响了锅炉的安全经济运行[3]。

付子文[1]在对准东煤灰理化特性的研究中指出，灰化温度过高会将导致碱金属挥发，而煤灰中Ca、Mn、Mg、Ti和Al含量基本不变。范建勇[4]对准东原煤和国标灰进行分析得到，煤中的主要常量元素在国标法灰化过程中都有不同程度的逃逸。而且灰化温度从815℃降低到500℃后，灰的ST温度为1230℃，比国标法的ST温度1330℃低100℃。王云刚[5]在碱沟煤掺混准东煤的实验中指出，当准东煤掺混比增大，混合后灰的灰熔融性温度先降低后升高。

灰分的制备条件对煤灰成分和灰熔融性有重要的影响[6]。本文在前面研究的基础上，进一步较全面的探究灰化温度对准东煤灰成分和灰熔融特性的影响，以期为燃煤电厂大规模利用准东煤提供理论参考。

1 实验部分

1.1 煤质分析和灰化过程

本实验选用两种典型的准东高钠煤作为实验煤样：WCW和XHS。实验煤样都经过破碎缩分到0.2mm。具体的煤质参数见表1。从表1可以看出WCW和XHS的工业分析、发热量和元素分析参数很相似，都是水含量高、挥发分含量高、发热量低、灰分和硫含量低。

表1 煤质参数分析

参照GB/T 212中灰分的测定过程进行样品的灰化：在预先灼烧至质量恒定的灰皿中，称取粒度小于0.2mm的煤样（1±0.1）g，当马弗炉升到目标温度（400℃、815℃）后分别将煤样放入恒温灰化2h，并检查性灼烧至灰化完全。

1.2 煤及灰中常量元素的测定

使用Anton Paar公司生产的Multiwave 3000微波消解仪对灰样及原煤样进行消解，灰样称量25±5mg，煤样称量400±50mg。灰样消解用酸：5mL HNO3和1mLHF，煤样消解用酸：6mL HNO3，1mLHF和2mL H2O2。然后使用PerkinElmer公司生产的Optima 8000 ICP-OES电感耦合等离子体原子发射光谱仪测定消解液中常量元素的含量。并进行重复性实验。

1.3 灰熔融性测定

参照GB/T 219规定的角锥法，在弱还原性气氛和氧化性气氛下测定样品的灰熔融特征温度：变形温度（DT）、软化温度（ST）、半球温度（HT）和流动温度（FT）。

2 结果与讨论

2.1 灰化温度对WCW和XHS灰产率和灰成分的影响

图1 WCW和XHS在不同温度下的灰产率

由图1可以得出，随着灰化温度从400℃升高到815℃，WCW和XHS的灰产率分别下降0.65和0.5。说明两种准东煤都随着成灰温度升高灰产率下降。WCW和XHS在815℃下灰产率的相对变化率为16.62%和 7.53%，灰产率的相对变化率定义如下式（1）。对比WCW和XHS灰产率的相对变化率可知，虽然灰产率都随成灰温度升高而降低，而WCW的相对变化率较XHS明显增大，说明不同成灰温度下灰产率的相对变化率和煤种密切相关。

式中X—灰产率的相对变化率，%；

Wt—成灰温度为t时的灰产率，%；

W400—成灰温度为400℃时的灰产率，%。

从表2可以看出，当灰化温度在400℃和815℃时，WCW煤灰中9种常量元素的氧化物加和值分别为64.49%和79.70%，XHS煤灰的氧化物加和值分别为84.76%和92.21%。WCW煤灰常量元素氧化物的加和值远小于100%，且随着灰化温度的升高加和值逐渐增大，XHS煤灰常量元素氧化物加和值也随着灰化温度的增加而增加，但较WCW更接近100%。这主要是由于WCW较XHS灰中Ca和Fe的含量增大，在低温下Ca和Fe大部分以碳酸盐的形式存在，碳酸盐中的二氧化碳没有被计入常量氧化物中。而且碳酸盐在500℃左右开始分解成二氧化碳和金属氧化物，如反应方程式（2）和式（3）。马岩[7]在研究灰化温度对准东煤矿物质演变的研究中指出，低温灰化的准东煤样品在815℃下发生高岭石失水转变为偏高岭石，方解石将分解成氧化钙。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随着灰化温度的增加而增加，而XHS的加和值大于WCW。碳酸盐分解的量也能够很好的解释WCW和XHS灰产率及灰产率的相对变化率随成灰温度的变化关系，因此煤灰产率和灰产率的相对变化率也主要和灰中的Ca和Fe相关。

从表2还可以得出，在400℃和815℃的灰化温度下，WCW和XHS煤灰中的氧化物P2O5、Fe2O3、SiO2、MgO、CaO、TiO2、Al2O3和K2O的含量都随着灰化温度的增加而增加。WCW煤灰的Na2O在400℃的灰化温度下的含量为6.45%，而在815℃下为4.88%，随着灰化温度的增加，Na2O含量有明显的降低。XHS煤灰中的Na2O含量也随着灰化温度的增加而降低，但只降低了0.2%。说明高钠煤中的Na在灰化过程中存在逃逸，而且随着灰化温度的增加逃逸率增大。同时对比WCW和XHS两种高钠煤的逃逸率，得出Na的逃逸率和煤种有很大的关系，但是Na的逃逸率并没有随着灰中Na含量的增加而增加，而是其它因素主要影响了Na逃逸。

表2 不同灰化温度下的WCW和XHS煤灰成分分析%

2.2 灰化温度对WCW和XHS灰熔融性的影响

表3 不同灰化温度下的WCW煤灰灰熔融性（弱还原性气氛）

表3为WCW和XHS的煤灰灰熔融性特征温度。从表3可以得出，WCW在还原性气氛下的灰熔融性特征温度较高，ST温度接近1400℃，这主要是由于WCW煤灰中含有大量的CaO和F2O3。有基于CaO和F2O3的二元体系相图结果分析指出[8，9]，灰熔融性温度随着氧化铁含量的增大，特征温度总体上呈现降低的趋势。当铁钙摩尔比为0.5时，灰熔融性温度呈现突降的趋势，而当铁钙摩尔比为1.0时，灰熔融性温度接近1200℃，此时氧化铁的含量达到39.01%。而当氧化铁含量为0.1的体系（质量百分含量10.09%），灰熔融性温度值都处于较大水平，大于1500℃。氧化铁含量在10%以下时，都不会明显降低灰熔融性温度，但氧化铁含量再升高时，灰熔融性温度迅速降低。同时对于WCW煤灰，由于其Na会在灰化过程中存在较大逃逸率，降低了Na对灰熔融性的助熔作用，所以WCW的灰熔融性特征温度较高。从表3还能看出，不同灰化温度下的WCW煤灰灰熔融性特征温度基本一样，说明灰化温度对灰熔融性温度影响较小。

从表3可以得出，XHS的灰熔融性特征温度较低，而灰化温度对XHS的灰熔融性特征温度影响也较小。这主要是XHS煤灰中Na的逃逸率较小，而Na可以破坏硅铝氧化物的网状结构形成低灰熔融特性温度的长石类化合物，使灰熔点有效降低[10，11]。

3 结语

WCW和XHS的灰产率都随着灰化温度的增加而降低，而灰成分分析中氧化物的加和值随着灰化温度的增加而增加。815℃下灰产率的相对变化率随着Ca和Fe含量的增加而增大，400℃灰中氧化物加和值随着Ca和Fe含量的增加而减小。

WCW和XHS中Na在灰化过程中存在逃逸，且随着灰化温度的增加而增加，WCW和XHS的其它常量元素在灰化过程中基本不逃逸。WCW煤灰的灰熔融性特征温度较高，ST温度接近1400℃，XHS的灰熔融性特征温度较低，灰化温度对WCW和XHS的灰熔融性影响都很小。

[1]付子文，王长安，车得福，等.成灰温度对准东煤灰理化特性影响的实验研究[J].工程热物理学报，2014，35（3）：609~613.

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[3]刘璀巍，胡龙.苇湖梁电厂锅炉燃用新疆准东煤特性研究[J].发电与空调，2012，31（6）：45~47.

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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

李乐安（1966-），男，山东聊城人，研究生，高级工程师，主要从事燃料管理工作。