杨 丽 超

(晋煤集团煤化工研究院，山西 晋城 048006)

0 引 言

煤灰熔融温度指煤灰在加热过程中逐渐熔化成液态时的温度，其为气化用煤的重要指标之一[1]。煤炭气化是洁净、高效利用煤炭的主要途径之一，为保证气化效率，在气流床煤气化工艺中多采用液态排渣工艺[2]。固态排渣煤气化技术一般要求灰熔融软化温度(ST)不低于1 250 ℃[3]，而液态排渣煤气化技术则通常要求灰熔融流动温度(FT)低于1 400 ℃。目前，液态排渣气化技术由于煤种适用性广、碳转化率高、环境友好等优势，已成为煤气化技术的发展方向[4-5]。

为此，国内外学者对煤灰熔融温度的影响因素及高灰熔融温度煤如何用于液态排渣气化技术开展了大量研究[6-12]。孔令学等[13]研究发现，在一定量的添加范围内，随着CaO添加量的增加，煤灰熔融温度呈现先降低后升高的趋势。刘硕等[14]从矿物质角度解释氧化钙的助熔原理，即CaO易与煤灰中其他组分形成钙长石、铝酸钙及钙黄石等低熔融矿物，从而使灰熔融温度下降。白进等[15]研究表明，不同助熔剂的助熔效果为:MgO>CaO>Fe2O3。

晋城矿区煤炭累计探明储量 44.81 亿 t，主要赋存地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，共含煤7～16层，煤层总厚13.5m，其中主要可采煤层为3号和15号煤层，局部可采煤层为9号和2号煤层，可采煤层以无烟煤为主。晋城地区相关企业积极研发适应晋城无烟煤的液态排渣气化技术并已开展中试试验。为研究晋城无烟煤用于液态排渣气化工艺时灰熔融温度的适应性，以下分析煤灰化学组成及酸碱比等参数对晋城无烟煤灰熔融温度的影响，在此基础上研究助熔调控方法，以期为指导晋城无烟煤用于液态排渣气化技术提供参考。

1 晋城无烟煤灰熔融温度

煤灰熔融温度的测定采用角锥法[16]:将煤灰和糊精混合，塑成一定大小的三角锥体，放在特殊的煤灰熔融温度测定炉中以一定的升温速度加热，观察并记录灰锥变形情况及其4个特征温度:变形温度(DT)、软化温度(ST)、半球温度(HT)和流动温度(FT)，其中ST为固态排渣气化技术考虑的指标，FT为液态排渣气化技术考虑的指标。煤灰熔融温度分级见表1[17]，晋城无烟煤的灰熔融温度见表2。

表1 煤灰熔融温度分级Table 1 Classification of coal ash melting temperature ℃

表2 晋城无烟煤的灰熔融温度Table 2 Ash melting temperature of Jincheng anthracite

由表2可知:寺河3号、长平3号、赵庄3号、寺河二号井15号和胡底3号无烟煤的软化温度(ST):>1 350 ℃～1 500 ℃，均属较高软化温度灰；其他矿井无烟煤的ST大于1 500 ℃，属高软化温度灰。晋城所有矿井无烟煤的FT均大于1 500 ℃，属高流动温度灰，因此，晋城无烟煤适宜于固态排渣气化技术，但不能直接用于较为先进的液态排渣气化技术，因而需为晋城无烟煤的液态排渣气化工业应用进行前期的基础研究。

2 影响灰熔融温度的因素分析

煤灰熔融温度的高低主要与煤灰化学组成相关。煤灰化学组成通常由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5等氧化物构成，其中Al2O3、SiO2和TiO2等为酸性氧化物，CaO、Fe2O3、MgO、K2O、Na2O为碱性氧化物。晋城10个矿区无烟煤灰化学成分见表3，晋城无烟煤主要煤灰组分、酸碱比与灰熔融温度的对应曲线如图1所示。基于晋城无烟煤灰熔融温度较高，许多指标超过1 500 ℃检测不到，只有DT的数据最全，故仅选择DT相关数据制图。

图1 晋城无烟煤主要煤灰组分、酸碱比与灰熔融温度的对应曲线Fig.1 Curve of ash composition,acid-base ratio and ash melting temperature of Jincheng anthracite

由表3可见:

表3 晋城无烟煤灰化学成分Table 3 Ash composition of Jincheng anthracite

(1)晋城无烟煤煤灰主要成分为SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3，其中SiO2含量在46%～58%，平均值约为52%；Al2O3含量在27%～37%，平均值约为32%；CaO含量在2%～6%，平均值约为4%；Fe2O3含量在3%～7%，平均值约为5%。总之，煤灰主要成分SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3各自含量的高低对灰熔融温度的影响不太明显。

(2)酸性氧化物总含量在80%～90%，平均值约为85%；碱性氧化物总含量在9%～18%，平均值约为13.5%。酸性氧化物总含量的高低与灰熔融温度的高低基本一致，即酸性氧化物含量越多，煤灰熔融温度就越高，具有提高煤灰熔融温度的作用；碱性氧化物总含量的高低与灰熔融温度的高低总体相反，即碱性氧化物含量越多，煤灰熔融温度就越低，具有降低煤灰熔融温度的作用。

(3)酸性氧化物总含量与碱性氧化物总含量之比即为酸碱比。晋城无烟煤的酸碱比在4.6～7.6，平均值约为6.1。晋城无烟煤灰熔融温度的变化曲线与酸碱比的变化曲线最为吻合，即灰熔融温度随着酸碱比的增加而增加。因此，晋城无烟煤灰组分中酸性氧化物含量高、碱性氧化物含量低、酸碱比高，此为导致灰熔融温度高的原因，可通过增加煤灰中碱性氧化物的含量及降低酸碱比以调节降低其灰熔融温度。

3 晋城无烟煤灰熔融温度的调控

晋城无烟煤灰熔融温度的调控一般采用添加碱性助熔剂或掺配高碱性氧化物含量煤的方式，分别介绍如下:

(1)添加碱性助熔剂。碱性助熔剂主要包括石灰石系列(有效成分CaO)、铁系列(有效成分Fe2O3)、碱金属系列(有效成分MgO、Na2O、K2O等)产品及一些复合碱性助熔剂产品，至于哪种助熔剂效果更好，目前尚无定论。但出于添加成本考虑，工业生产中一般选用石灰石。

晋城无烟煤添加石灰石后的灰熔融温度数据见表4，对应曲线图如图2所示。

图2 晋城无烟煤添加石灰石后的灰熔融温度Fig.2 Ash melting temperature of Jincheng anthracite after adding limestone

由图2及表4可见，晋城无烟煤灰熔融温度FT随着石灰石的加入而有所降低，但当石灰石添加量超过一定值时，灰熔融温度则不再降低，由于CaO本身的熔融温度很高(约2 600 ℃)，因此当CaO出现过剩时，灰熔融温度不降反增。晋城无烟煤添加石灰石的最优比例约在2%～4%，此时灰熔融温度FT最低(在1 400 ℃以下)，可满足液态排渣气化技术对煤灰熔融温度的要求。

表4 晋城无烟煤添加石灰石后的灰熔融流动温度Table 4 Ash melting temperature of Jincheng anthracite after adding limestone

(2)配煤。晋城长平矿3号无烟煤掺配神木煤后的灰熔融温度见表5。其中，实验用神木煤的主要指标如下:水分(Mad)为3.11%，灰分(Ad)为6.65%，挥发分(Vd)为33.08%，固定碳(FCd)为60.27%，FT为1 173 ℃。

由表5可见:① 掺配神木煤40%、50%和60%时，长平矿3号无烟煤的灰熔融温度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，碱性氧化物含量高，尤其是CaO含量高达20%以上，与长平煤掺配后有效地降低了煤灰中的酸碱比(酸碱比从6降低至3.5以下)，进而达到降低晋城无烟煤灰熔融温度的效果。

表5 长平矿3号煤掺配神木煤后的煤灰组成和灰熔融温度Table 5 Ash composition and ash melting temperature of Changping No.3 coal mixed with Shenmu Coal

4 结 语

煤灰熔融温度是气化用煤的重要指标，晋城无烟煤灰熔融温度普遍很高，FT均在1 500 ℃以上，适宜固态排渣气化技术，但不能直接用于液态排渣气化技术，故需对其进行工业应用前期基础研究。

原因分析:晋城无烟煤灰组分中高酸性氧化物含量(80%～90%)、低碱性氧化物含量(9%～18%)、高酸碱比(4.6～7.6)是导致灰熔融温度高的原因。

调节方法:为了满足液态排渣气化技术对煤灰熔融温度的要求，可通过增加煤灰中碱性氧化物的含量及降低酸碱比，以降低灰熔融温度。常见方法有2种:① 添加石灰石，晋城无烟煤添加2%～4%的石灰石可将灰熔融温度降低至1 400 ℃以下；② 晋城无烟煤掺配40%的高钙神木煤即可将煤灰熔融温度降低至1 400 ℃以下。

此外，晋煤集团晋开、天溪煤制油、华昱等公司的工业应用也验证了晋城无烟煤可通过添加石灰石或配煤的方式用于液态排渣气流床气化工艺。但若用于固定床液态排渣气化技术，由于其使用块煤为原料，炉内物料添加石灰石后能否混匀及达到实验室的预期效果还有待进一步工业验证。