CaO助熔剂对朱仙庄煤灰熔融特性的影响

李沙沙，王思学

1.自旋电子与纳米材料安徽省重点实验室，安徽宿州，234000；2.宿州学院化学化工学院，安徽宿州，234000



CaO助熔剂对朱仙庄煤灰熔融特性的影响

李沙沙1,2，王思学1

1.自旋电子与纳米材料安徽省重点实验室，安徽宿州，234000；2.宿州学院化学化工学院，安徽宿州，234000

选用皖北朱仙庄煤样，利用微机灰熔点测定仪，研究加入不同质量比的助熔剂CaO对朱仙庄煤灰熔融性的影响，结合XRD及FTIR对样品的矿物组成进行分析。结果表明，随着助熔剂CaO添加量的增加，煤的灰熔点出现先降低后又升高的变化趋势，当CaO添加量在3.5%时可使煤样灰熔点降至1256℃；对煤灰的XRD及FTIR图谱分析得知，加入CaO助熔剂可生成低温共熔物，从而降低了煤灰熔融温度。

助熔剂；灰熔融特性；灰熔点

在煤气化技术中，煤灰的熔融特性是气化用煤的重要质量指标，也是煤灰性能的重要影响因素[1-4]。气流床煤气化技术要求液态排渣，即灰渣在熔融态时排出气化炉，这就要求原煤灰在低温下(<1500℃)即熔融为液态[5-7]，而皖北朱仙庄煤为高灰熔融性煤，其灰熔融温度在1500℃以上，不能满足煤气化工艺的要求。为了降低朱仙庄煤的灰熔融温度，可在煤样中加入一定比例的助熔剂，以改变煤灰中的矿物组成，进而降低煤样的灰熔融温度[8-9]。本实验选用钙基助熔剂CaO，以不同质量比向煤样中添加，探讨钙基助熔剂CaO对朱仙庄煤样灰熔融特性的影响。

1 实验部分

1.1 主要仪器

WDL-6E微机快速一体硫机(鹤壁市华泰仪器仪表有限公司)、HR-4A微机灰熔点测定仪、HTGT-3000自动工业分析仪和TQ-3A碳氢分析仪、DX-2600 X射线衍射仪(丹东方圆仪器有限公司)，370FT-IR傅里叶红外线光谱仪(上海山岳科学仪器有限公司)。

1.2 煤种及助熔剂选择

选用皖北朱仙庄煤样为实验煤样，助熔剂选用分析纯CaO(国药集团)。

1.3 灰样的制备

将助熔剂CaO按一定比例(质量比：1.5%、2.5%、3%、3.5%、4.5%、5.5%、6%、7.5%)加入到朱仙庄煤样中，充分混合均匀，制得添加助熔剂CaO的煤样。将原煤样和添加CaO的煤样放入马弗炉中在815℃下进行灰化处理，取出后立即放入自来水中进行快速冷却，最后在105℃条件下于真空干燥箱中干燥36 h。

2 实验结果与讨论

2.1 煤样的工业分析及化学成分分析

由表1及表2可知煤样的灰熔点高于1500℃，这与朱仙庄煤样中含有大量的SiO2有关，因此朱仙庄煤样不适应于液态排渣。

表1 煤样的工业分析及灰熔点

2.2 助熔剂CaO对煤样灰熔点的影响

煤样在添加不同比例CaO助熔剂后制取煤灰，在弱还原性气氛下，测得灰样的变形温度(DT)、软化温度(ST)、半球温度(HT)、流动温度(FT)的变化关系，见图1。

表2 煤灰化学成分

由图1分析可知，样品的灰熔点随CaO的含量增加，其灰熔点先降低后升高。当CaO添加量为3.5%时，煤样的DT、ST、HT和FT明显下降，样品的流动温度(FT)降至1256℃，下降幅度在244℃以上；当CaO添加量继续增加时，样品的灰熔融温度反而上升。由此说明在煤样中添加一定量的CaO可明显降低原煤样的灰熔融温度，但是随CaO添加量的增加，样品的灰熔融温度先下降后上升。这是由于添加少量的CaO可形成低温共熔物，致使灰熔点降低；而当CaO添加量过高时，易形成硅酸钙，其熔融温度达到2130℃，从而使体系熔融温度上升。

图1 灰熔点随CaO添加量的变化关系图

图2 添加助熔剂CaO的煤灰红外谱图

2.3 助熔剂CaO对煤灰红外谱图的影响

添加助熔剂CaO煤灰的红外谱图见图2。由图2可知，在3450 cm-1和1100 cm-1两处的峰强度出现先减弱后增强的变化，说明在煤灰熔融过程中助熔剂CaO与其他矿物形成了低温共熔物；由于1100 cm-1处的特征峰变宽，说明中长石的含量在煤灰中逐渐增加，使煤灰的熔融温度降低。

2.4 助熔剂CaO对煤灰XRD谱图的影响

图3是原煤灰的XRD分析图谱，图4是添加质量分数3.5%CaO助熔剂的煤灰XRD分析图谱。由图3和图4可以得出，在煤灰中添加CaO经高温煅烧后，灰样的方钙石和硬石膏的特征峰比较明显。硬石膏经高温会分解生成CaO与SO3，CaO与煤灰中其他矿物质发生反应，CaO和石英的含量随之逐渐减少，在助熔剂含量为3.5%的高温环境中钙黄长石生成，随着温度升高，钙黄长石逐渐分解生成钙长石及其特征峰和少量的莫来石特征峰。而钙黄长石和钙长石等含钙化合物间易形成低温共熔化合物，即添加钙基助熔剂改变了原煤灰样在高温下的矿物组成，有效降低了煤灰的熔点。

图3 朱仙庄煤灰的XRD图

图4 添加3.5%CaO煤灰的XRD图

3 结 论

由于朱仙庄煤的灰熔融点较高(>1500 ℃)，不能用于液态排渣，向朱仙庄煤中添加钙基助熔剂CaO可使朱仙庄煤灰熔点有效降低，且CaO添加量在3.5%时可使煤样灰熔点降至1256℃。对煤灰的FTIR和XRD分析可知，加入CaO助熔剂可生成钙黄长石和钙长石，且在高温条件下钙黄长石和钙长石等含钙化合物间容易形成低温共熔化合物，从而降低了煤灰熔融温度。

[1]高娜,刘胜华,刘勇晶,等.碱性氧化物对煤灰熔融特性的影响及机理研究[J].煤炭转化,2014,37(3):42-45

[2]黄镇宇,李燕,赵京,等.不同灰成分的低熔点煤灰熔融性调控机理研究[J].燃料化学学报,2012,40(9):1038-1043

[3]李继炳,沈本贤,赵基钢,等.助熔剂对皖北刘桥二矿煤灰熔融特性的影响[J].煤炭学报,2010,35(1):140-144

[4]孙文娟,梁国治.助熔剂对煤灰熔融过程中矿物行为的影响[J].煤炭转化,2012,35(2):31-35

[5]姚星一.煤灰熔点与化学成分的关系[J].燃料化学学报,1965,6(2):151-161

[6]乌晓江,张忠孝,朴桂林,等.配煤对降低高灰熔融性煤的三元相图分析[J].洁净煤技术,2007,13(3):64-67

[7]吴杰,徐江华,王群英.配煤降低淮南煤灰熔点的研究及机理初探[J].安徽理工大学学报,2003,23(4):51-55

[8]张子利,李寒旭,曹祥,等.高效助熔剂对煤灰熔融特性的影响研究[J].应用化工,2013,42(4):679-682

[9]李继炳,沈本贤,赵基钢,等.镁基助熔剂对刘桥二矿混煤灰熔融特性的影响[J].煤炭转化,2009,32(2):37-40

(责任编辑：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.06.031

2016-01-25

安徽省大学生创新训练项目“添加废胶粉及稻壳对煤的热解特性的影响”(201510379134)；宿州学院科研平台开放课题项目“复合氧化锌纳米材料的制备及对染料废水的光催化降解研究”(2014YKF47)；宿州学院产学研项目“混凝土高效减水剂的研究”(2015hx024)。

李沙沙(1984-)，女，安徽淮北人，硕士，助教，主要研究方向：煤化工及纳米材料研究。

TQ536.1

A

1673-2006(2016)06-0113-03