宁东矿区煤灰黏温特性研究*

夏支文，李 平

(1 宁夏神耀科技有限责任公司，宁夏 银川 750200；2 宁夏大学，宁夏 银川 750021)

煤灰的粘度对于液态排渣的工业锅炉和气化炉来说都是很重要的参数。根据煤灰粘度的大小以及煤灰的化学组成，就可以选择合适的煤源；或者采用添加助熔剂，甚至采用配煤的方法来改善煤灰的流动性，使其符合液态排渣炉的使用要求。对于液态排渣的工业锅炉和气化炉，要求的气化炉操作温度要高于煤灰流动温度，正常的排渣粘度一般为50～100 Pa·s，最高不超过250 Pa·s或5～25 Pa·s，通常将粘度为25 Pa·s所对应的温度称为气化炉的最低排渣温度[1-2]。也就是气化炉操作过程中，必须保证足够的操作温度。否则，将由于灰渣粘度的快速增加而导致煤灰无法排除。如果温度低于流动温度或操作区间温度无法达到粘度要求均会导致排渣不畅，造成反应器无法正常运行。例如：在对应的温度操作区间内煤灰的粘度过大，导致熔融状态的煤灰流动性低，无法顺畅的从渣口排出气化炉反应室，就会在渣口附近形成堵渣，逐渐堵塞排渣口，也就是发生气化炉“结焦”；而如果在对应的温度操作区间内煤灰的粘度过小，熔融状态的煤灰流动性高，熔融的煤灰将迅速的沿着气化炉反应室内壁从排渣口流出，将不能造成熔渣有效覆盖反应室内壁，造成气化反应生成的高温气体夹带高速熔渣对反应室内壁造成直接冲刷，降低反应室寿命。因此，研究煤灰灰渣黏温特性对工业生产具有重要的理论和实践意义。

煤灰的黏温特性指的是煤灰在高温下形成熔融灰渣的粘度与温度之间的关系。煤灰的黏温特性受到众多因素的影响。煤灰成分是其中很重要的一个影响因素，煤灰成分对煤灰黏温特性的影响十分复杂。国内外学者对此也进行了大量的研究工作[3-13]。普遍的认为煤灰的化学组分对煤灰黏温特性的影响与其在高温下熔渣中结构的不同作用密切相关。

1 分析测试部分

取宁东矿区不同样品进行了煤灰灰成分分析，分析结果及酸碱比见表1。

表1 原煤灰灰成分及酸碱比Table 1 Chemical composition of coal ash

煤灰黏温特性测试前首先对煤灰进行了高温预熔，具体做法是将煤灰置于预熔坩埚中，升温至煤灰熔融性FT温度以上200 ℃，恒温30 min，恒温结束后采用自然降温，待温度将至常温左右时，取出预熔坩埚，得到预熔后的煤灰样品。得到不同酸碱比煤灰高温预熔后熔渣形态见表2。

表2 煤灰高温预熔后熔渣形态及类型Table 2 Type slag ash morphology and high temperature pre melted

注：色泽暗淡，断面处有规则形状或线条的熔渣称之为Ⅰ型渣；将色泽明亮，断面不规则的称之为Ⅲ型渣，介于二者之间的称之为Ⅱ型渣。

在相同的仪器及升降温条件下，不同煤灰酸碱比高温预熔后的熔渣表观形态具有较大的差异；煤灰的酸碱比煤灰高温处理后的熔渣形态具有明显的影响因素，随着酸碱比的提升，煤灰经高温预处理后的熔渣形态将由具有明显暗淡光泽、断面处有规则形状或线条的Ⅰ型渣逐步过渡到色泽明亮、不规则断面的呈现出更多的Ⅲ型渣。在酸碱比0.92至2.57，煤灰高温熔渣形态呈现为Ⅰ型渣；在酸碱比2.91至3.87时，煤灰高温熔渣形态呈现为Ⅱ型渣，尤其是在酸碱比为3.21时，熔渣断面可明显看出，其同时包含有Ⅰ型渣与Ⅲ型渣两种形态的高温熔渣；在酸碱比4.42至6.42，煤灰高温熔渣形态呈现为Ⅲ型渣。

图2所示Ⅰ型渣煤灰黏温特性测试结果显示：煤灰粘度特性lgη随温度降低时，lgη的变化较大，呈现出接近直线变化的特性。Ⅰ型渣煤灰黏温特性测试结果中酸碱比为1.8、0.92、1.27、2.57的煤灰高温粘度特性。《煤灰高温粘度特性试验方法》[14]中对煤灰粘度特性类型分类：

(1)玻璃体渣

熔体在降温过程中，粘度特性的变化如图1煤灰、玻璃、陶瓷粘度特性的类型所示的lgη-T曲线A。通常称为“长渣”，该渣型无相变点。

(2)塑性渣

熔体在降温过程中，粘度特性的变化如图1煤灰、玻璃、陶瓷粘度特性的类型所示的lgη-T曲线B，具有“真液相”、“固相”和“固、液相”状态的渣体称为塑性渣。

(3)结晶渣

“真液相”和“固相”状态的渣体称为结晶渣。

图1 煤灰、玻璃、陶瓷粘度特性的类型Fig.1 Types of slag viscosity characteristics

可见其粘度特性曲线类似图1中曲线C，属于结晶渣也就是“短渣”；酸碱比1.99的煤灰高温粘度特性lgη-T的变化趋势较其他几个稍显平缓，但强于较酸碱比为6.19和6.42的煤灰粘度特性曲线变化趋势，因此该类型渣粘度特性曲线虽与图1中曲线B不同，仍认为其属于塑性渣。

图3所示Ⅱ型渣煤灰黏温特性测试结果显示：相对于Ⅰ型渣，其粘度变化相对平缓，煤灰粘度特性lgη随温度降低时，粘度特性lgη的变化相对来说要平缓一些。酸碱比为3.87的煤灰粘度特性lgη-T趋势平滑，认为该类型渣属于塑性渣，酸碱比为2.97、3.21的煤灰粘度特性lgη-T曲线变化趋势稍大，类似图1中曲线C，属于结晶渣也就是“短渣”。

图4所示Ⅲ型渣煤灰黏温特性测试结果显示：相对于Ⅰ型渣和Ⅱ型渣，酸碱比为4.42、5.66、6.12、6.42的煤灰的粘度特性随温度的变化最为平缓，且在相当大的温度区间内，lgη随温度降低变化较小如图1中曲线A，故认为该类型渣属于玻璃体渣，也就是“长渣”。

通常认为，对于液态排渣的气化装置，当灰渣的粘度小于25 Pa·s时，其流动性较好，不易结渣[1]。由此提出了一个针对液态排渣反应器的灰粘度类型结渣指数T25，T25为灰渣达到25 Pa·s粘度时所需要的温度。煤灰的粘度指数在一定程度上直接与飞灰颗粒的沉积结渣相关，因此具有较高的准确率，一般准确率可达90%以上。各煤灰样品灰粘度类型结渣指数T25见表3。

图2 Ⅰ型渣煤灰粘度特性lgη-TFig.2 TypeⅠslag viscosity properties of coal ash lgη-T

图3 Ⅱ型渣煤灰粘度特性lgη-TFig.3 TypeⅡslag viscosity properties of coal ash lgη-T

图4 Ⅲ型渣煤灰粘度特性lgη-TFig.4 Type Ⅲ slag viscosity properties of coal ash lgη-T

不同煤灰酸碱比的黏温特性分类见表3，随着煤灰酸碱比的增大，煤灰的黏温特性呈现出由结晶渣向玻璃渣的变化。

结合煤灰熔渣类型分析，Ⅰ型渣多属于结晶渣(短渣)，Ⅱ型渣兼有塑性渣和结晶渣，Ⅲ型渣基本为玻璃渣(长渣)；从煤灰的黏温特性来看，煤灰的流动温度FT与其T25之间不同黏温特性的渣具有不同的相关性，结晶渣中既有负偏差的2、6号样品，也有温差仅有9 ℃的1号样品，还有偏差达到100 ℃以上的8、9、11号样品；但总体来说，塑性渣和玻璃体渣的煤灰样品，FT与T25温差相对来说均比较大，大部分高煤灰酸碱比塑性渣和玻璃体渣煤灰样品的FT与T25温差超过100 ℃；从煤灰FT温度来看，FT在1243 ℃以上的煤灰，其对应的最低排渣温度均在FT+60 ℃以上。

表3 煤灰酸碱比、粘度特性、结渣指数T25和熔融特性Table 3 Acid-base ratio of coal ash and viscosity properties & T25 & FT

2 气化装置用煤煤灰黏温特性分析

炉渣是原煤煤灰在气化炉内高温、高压等恶劣条件下不完全燃烧后的产物，相对通过马弗炉焙烧获得的煤灰，其物理化学性质更能反映出气化炉的工况。为此选取了水煤浆气化技术和干煤粉气化技术典型液态排渣气化装置在正常生产期间取得的炉渣样品进行熔融性、熔渣表观形态和黏温特性的测试分析。二者表观形态分别见图5和图6。

图5 水煤浆气化装置渣样Fig.5 Coal water slurry gasifier slag samples

图6 干煤粉气化装置渣样Fig.6 Dry pulverized coal gasifier slag samples

将取得的炉渣样品，在500 ℃下焙烧12 h，烧尽其中的残炭后进行研磨。按照第二章中的煤灰制备和测试方法对进行煤灰成分分析、煤灰熔融特性分析、高温预熔后熔渣形态及类型见表4、表5。

表4 气化炉渣成分分析结果Table 4 Chemical composition of gasifier slag

表5 煤灰高温预熔后熔渣形态、类型和结渣指数T25Table 5 Type slag ash morphology and high temperature pre-melted

水煤浆气化炉渣和干煤粉气化炉渣的原始状态均表面光滑，有明亮色泽的玻璃球体状的渣样，区别在于水煤浆气化炉炉渣粗渣较多、拉丝很少，干煤粉气化炉炉渣细渣偏多、拉丝相对较多。这是因为水煤浆气化炉烧嘴雾化性能弱于干煤粉气化炉烧嘴，且水煤浆气化炉操作温度较干煤粉气化炉要低100～150 ℃左右。

当两个渣样进行高温预熔后得到两种完全不同的表观形态的熔渣。水煤浆气化炉炉渣预熔后表现为色泽暗淡无光泽，可见相对规则的放射性线条，而干煤粉气化炉炉渣经过预熔后呈现出色泽明亮，断口锐利无规则；按照本文中对熔渣类型的分类，分别属于Ⅰ和Ⅲ型渣。

对以上两个炉渣进行煤灰高温粘度测试，得到渣粘度特性lgη-T如图7所示。

干煤粉气化炉炉渣属于典型的玻璃体渣，其粘度值随温度变化时更加的平缓甚至趋向于线性变化；水煤浆气化炉炉渣则表现出较多的结晶渣特性，其粘度数值随温度变化时，先是呈现出平缓的线性变化，但当温度降至1200 ℃左右时，粘度数值出现突然增大，成为较典型的结晶渣。

图7 炉渣粘度特性lgη-TFig.7 Slag viscosity properties of coal ash lgη-T

仅从在气化炉操作温度区间内，煤灰熔融特性和煤灰的粘度特性能够满足气化炉液态排渣的角度来分析装置用煤煤质要求，煤灰酸碱比在0.92≤A/B<3.21，煤灰FT在1243 ℃以下煤种可以作为水煤浆耐火砖气化炉的煤源，煤灰酸碱比在A/B≥3.21，煤灰FT在1243 ℃以上的煤种可以作为干煤粉水冷壁气化炉的煤源。

3 结 论

不同酸碱比煤灰具有不同的熔融性和黏温特性；宁东矿区原煤煤灰成分酸碱比与煤灰的熔融性，随着酸碱比的增大煤灰的熔融性特征温度总体呈现升高的趋势，随着煤灰酸碱比的升高，预熔后煤渣逐渐由色泽暗淡、断面处有规则形状或线条的结晶渣，逐步过渡到色泽明亮、不规则断面的玻璃体渣。通过煤灰黏温特性lgη-T分析，可知色泽暗淡无光泽、断面处有规则形状或线条多为结晶渣，色泽明亮、不规则断面的熔渣的多为玻璃渣，煤灰黏温特性随煤灰成分酸碱比的升高，呈现出由结晶渣向玻璃体渣变化的趋势，干煤粉气化用煤的煤灰黏温特性分析呈现出玻璃体渣特性，水煤浆气化炉用煤煤灰黏温特性呈现结晶渣特性，根据本文实验研究发现，仅从煤灰流动性角度考虑，煤灰酸碱比在0.92≤A/B<3.21范围内，煤熔融特性FT在1243 ℃以下结晶渣或塑性渣黏温特性的煤种可以用作水煤浆耐火砖气化炉的煤原料煤，煤灰酸碱比在3.21≤A/B，煤熔融特性FT在1243 ℃以上具有玻璃体渣黏温特性的煤种可以作为干煤粉水冷壁气化炉的原料煤。