煤的工業(yè)分析-煤的灰分(煤化學課件)

煤的灰分《煤化學》學校名稱：目錄概念灰分的來源灰分測定方法要點對煤加工利用的影響1234

煤樣在規(guī)定條件下完全燃燒后的殘留物稱為煤的灰分，項目符號A。礦物質(zhì)是煤中固有成分，其含量是在煤本身不受破壞的前提下測定而來；而灰分是煤中礦物質(zhì)在一定溫度下經(jīng)一系列分解、化合等復雜反應后的產(chǎn)物，其產(chǎn)率由加熱溫度、加熱時間、通風條件等因素決定?；曳謥碜缘V物質(zhì)，但組成和質(zhì)量又不同于礦物質(zhì)。一、煤的灰分的概念二、灰分的來源煤在高溫燃燒或灰化過程中主要化學反應1.失去化合水

這類礦物質(zhì)中最普遍的是高嶺土，它們在500~600℃失去結晶水；石膏在163℃分解失去結晶水。灰分內(nèi)在灰分：是由成煤植物中的礦物質(zhì)以及由成煤過程中進入煤層的礦物質(zhì)即內(nèi)在礦物質(zhì)所形成的灰分。外來灰分：是由煤炭生產(chǎn)過程中混入煤中的礦物質(zhì)即外來礦物質(zhì)形成的灰分

Al2Si2O5(OH)4→Al2O3·2SiO2+2H2O↑CaSO4·2H2O→CaSO4+2H2O↑

2）受熱分解這類礦物質(zhì)在500~800℃時分解并放出二氧化碳氣體。CaCO3→CaO+CO2↑FeCO3→FeO+CO2↑

3）氧化反應溫度為400~600℃時，在空氣中氧的作用下進行。4FeS2+11O2→2Fe2O3+8SO2↑2CaO+2SO2+O2→2CaSO4

4FeO+O2→2Fe2O3

4）堿金屬氧化物和氯化物在溫度為700℃以上時部分揮發(fā)。故測定灰分的溫度不宜太高，規(guī)定為815±10℃。二、灰分的來源

GB/T212-2008規(guī)定，灰分測定方法包括緩慢灰化法和快速灰化法兩種?？焖倩一òǚ椒ˋ和方法B兩種方法，較適用于例行分析，但在校核實驗及仲裁分析中仍需采用緩慢灰化法。這里以緩慢灰化法為例，簡要說明灰分的測定要點。在緩慢灰化法中，將一定量的一般分析試驗煤樣，放入溫度低于100℃的馬弗爐中，以一定的速度加熱到815±10℃，灰化并灼燒到質(zhì)量恒定。以殘留物的質(zhì)量占煤樣質(zhì)量的質(zhì)量分數(shù)作為灰分產(chǎn)率。空氣干燥基灰分按式（1）計算，報告值修約至小數(shù)點后兩位。

（1）式中Aad——空氣干燥煤樣灰分的質(zhì)量分數(shù)，%；m——稱取的一般分析試驗煤樣的質(zhì)量，g；m1——灼燒后殘留物的質(zhì)量，g。三、灰分測定方法要點

煤在作為燃料或加工轉(zhuǎn)化的原料時，幾乎都是利用煤中的有機質(zhì)，而礦物質(zhì)或灰分歷來被認為是有害廢物，人們一直致力于設法降低或脫除煤中的礦物質(zhì)或灰分。但是，長期的研究和生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，煤中礦物質(zhì)對煤的某些加工利用過程是有益的，即使是灰分也得到了越來越廣泛的利用。1.煤中礦物質(zhì)或灰分的不利影響（1）增加了運輸負荷和貯存成本。煤中礦物質(zhì)含量越高，在煤炭運輸和貯存中造成的浪費就越大。我國煤炭產(chǎn)地分布很不均勻，約有70%的鐵路運能用于煤炭運輸，每年因煤中礦物質(zhì)含量過高造成的無效運輸十分驚人。（2）增加了煤炭消耗。煤中礦物質(zhì)除少量硫鐵礦在燃燒過程中能產(chǎn)生少量熱值外，其余絕大多數(shù)礦物質(zhì)在燃燒過程中不但不產(chǎn)生熱量還要吸收熱量進行分解。此外，外排煤灰四、煤中礦物質(zhì)和灰分對煤加工利用的影響時可能夾帶一部分未燃煤，造成機械性燃料損失。據(jù)估算，動力用煤的灰分每增加1%，煤耗就要增加2.0%~2.5%。在煉焦過程中，煤中礦物質(zhì)幾乎全部進入焦炭，使其固定碳減少，用量增加，生產(chǎn)效率降低。一般認為，焦炭灰分每升高1%，高爐熔劑消耗量約增加4%，爐渣量約增加3%，每噸生鐵消耗焦炭量增加1.7%~2.0%，生鐵產(chǎn)量降低2.2%~3%，所以煉焦用煤的灰分含量應盡可能低些，一般以10%以下為宜。（3）影響生產(chǎn)操作條件和產(chǎn)品質(zhì)量。在煤灰熔點相同的情況下，灰分含量高的煤比灰分含量低的煤容易結渣，且灰分越高結渣越嚴重，阻礙了燃燒和氣化過程中氣流的流通。由于焦炭與灰分的熱膨脹性不同，焦炭會沿灰分顆粒周圍產(chǎn)生裂紋并擴大，使焦炭碎裂或粉化。灰分中的鉀、鈉等成分會加速焦炭與CO2的反應，加速其消耗，四、煤中礦物質(zhì)和灰分對煤加工利用的影響并導致反應后強度降低。用高硫或高磷煤生成的焦炭煉鐵，會使鋼鐵發(fā)脆。煤在液化加工時，煤中礦物質(zhì)使溶劑精制煤的過濾發(fā)生困難。煤中堿金屬或堿土金屬的化合物會使加氫液化過程中使用的鈷鉬催化劑活性降低。煤中含鐵化合物對煤的氧化和自燃具有催化作用。（4）腐蝕設備和裝置。煤中的鉛和鉍隨燃燒氣體帶走，弱沉積在金屬表面會產(chǎn)生顆粒邊界脆化作用而導致金屬損傷。煤中的黃鐵礦使燃燒粉煤的鍋爐爐底發(fā)生硫化作用而損傷，煙道氣中的含硫成分使過熱器、省煤器外部腐蝕，煤中氯離子是奧氏體鋼的一種主要腐蝕劑，煤灰中的堿性成分能侵蝕爐內(nèi)的耐火材料及金屬設備。四、煤中礦物質(zhì)和灰分對煤加工利用的影響（5）造成環(huán)境污染。燃煤細灰中含有各種礦物質(zhì)成分，其中不乏多種痕量有毒元素如As、Cr、Pb、Hg、Cd等，這些微塵及有害元素對大氣和水體造成污染。此外，鍋爐和氣化爐產(chǎn)生的灰渣和粉煤灰需占用大量的荒地甚至良田。煤中含硫化合物在燃燒時生成SOx、COS、H2S等有毒氣體，嚴重時會形成酸雨。2.煤中礦物質(zhì)或煤灰的利用途徑（1）作為煤加工轉(zhuǎn)化過程的催化劑。黃鐵礦、高嶺土和二氧化鈦等的存在對加氫液化具有催化活性，鋁硅酸鹽常常用作熱裂解的催化劑。堿金屬的碳酸鹽（K2CO3、Na2CO3）、氯化物（KCl、NaCl）、堿土金屬氧化物（CaO）等是煤氣化的催化劑。四、煤中礦物質(zhì)和灰分對煤加工利用的影響（2）生產(chǎn)建筑材料和環(huán)保制劑。利用煤矸石和煤灰可以生產(chǎn)不同標號的水泥、磚瓦、大型砌塊、筑路材料和裝飾材料，還可生產(chǎn)鑄石和耐火材料。氣化煤灰可用作煤氣脫硫劑，粉煤灰還可制成廢水處理劑、除草醚載體等。（3）生產(chǎn)化肥和土壤改良劑。在煤的液態(tài)渣中噴入磷礦石，可制成復合磷肥。（4）提取有用成分。煤中常見的伴生元素主要有鈾、鍺、鎵、釩、釷、鈦等元素。它們賦存于不同的煤種中，通過科學的方法，可對這些伴生元素進行富集，用來制造半導體、超導體、催化劑、優(yōu)質(zhì)合金鋼等材料?；厥彰夯抑械腟iO2可制成白炭黑和水玻璃，提取煤灰中的Al2O3可生產(chǎn)聚合氯化鋁等。四、煤中礦物質(zhì)和灰分對煤加工利用的影響煤灰的組成《煤化學》學校名稱：目錄概念煤灰的化學組成煤灰成分的分析方法測定煤灰成分的意義1234一、概念煤的灰分與煤灰

從嚴格意義上講，煤的灰分與煤灰是兩個不同的概念?；曳质且?guī)定條件下煤中礦物質(zhì)燃燒后的產(chǎn)物；煤灰是煤作為鍋爐燃料或氣化等原料時，在工業(yè)生產(chǎn)條件下得到的大量殘渣，可分為粉煤灰和灰渣兩種。粉煤灰又稱飛灰，是指同煙道氣和煤氣一起帶出的粒徑小于90μm的灰塵；爐渣則是指呈熔融狀態(tài)或以較大顆粒的不熔狀態(tài)從爐底排出的底灰。

煤灰分與煤灰的化學組成是一致的，通常用元素氧化物的形式表達。煤灰主要成分包括二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵、氧化鈣、氧化鎂、二氧化鈦、五氧化二磷、三氧化硫、氧化鉀和氧化鈉等，此外還有極少量的釩、鉬、釷、鍺、鎵等的化合物。表1是我國煤灰主要成分的一般范圍。二、煤灰的化學組成表1我國煤灰主要成分的一般范圍煤灰成分褐煤/%硬煤/%煤灰成分褐煤/%硬煤/%最低最高最低最高最低最高最低最高SiO2106015＞80TiO20.240.16Al2O3535850SO30.635＜0.115Fe2O3425165P2O50.042.50.015CaO5400.535KNaO0.0910＜0.110MgO0.13＜0.15三、煤灰成分的分析方法化學分析法常量分析法半微量分析法儀器分析法原子吸收光譜法、X射線熒光測定法、中子活化分析法

GB/T1574-2007規(guī)定了煤灰中鐵、鈣、鎂、鉀、鈉、錳、磷、硅、鋁、鈦、硫的測定方法，適用于煤、焦炭、水煤漿和煤矸石。煤灰分中主要的單個常量元素和少量元素的測定方法見表2。表2煤灰中主要單個元素的測定方法測定方法元素測定方法元素光發(fā)射法K、Na、Ti中子活化分析法Fe、Na、Si、Al原子吸收法Ca、K、Na、Mg化學法Fe、Ca、Mg、K、Na、P、Si比色法Al、Ca、Mg、P、Ti電化學法Ca、Mg、Ti火焰發(fā)射法Ca、Mg、K、Na

三、煤灰成分的分析方法四、測定煤灰成分的意義煤灰成分的變化很大，但也有規(guī)律可循。同一煤層煤的灰成分變化往往較小，而不同成煤時代煤的灰成分則往往變化很大，因而在地質(zhì)勘探過程中，可用煤灰成分作為煤層對比的參考依據(jù)之一；煤灰成分可以為灰渣綜合利用提供基礎技術資料，我國不少礦區(qū)的煤灰成分中三氧化二鋁的質(zhì)量分數(shù)可達40%左右，可作為提取聚合堿式氧化鋁的原料；根據(jù)煤灰成分可初步判斷煤灰的熔融性和流動性，根據(jù)煤灰中鈉、鉀和鈣等堿性氧化物成分的高低，大致判斷煤在燃燒時對鍋爐燃燒室的腐蝕和沾污情況。此外，根據(jù)某些煤灰組成中各氧化物之和與總量有較大差異的現(xiàn)象，還可推斷某些稀有元素在煤中的富集情況。

煤灰的熔融性《煤化學》學校名稱：目錄測定意義煤灰熔融性的概念煤灰熔融性的測定影響測定結果的因素1234測定煤灰熔融溫度對工業(yè)生產(chǎn)特別是火力電廠和氣化爐造氣等具有重要意義。1.為鍋爐設計選擇爐膛出口煙溫和鍋爐安全運行提供依據(jù)。在設計鍋爐時，爐膛出口煙溫一般要求比煤灰的軟化溫度低50～100℃，在實際運行中也要控制在此溫度范圍內(nèi)，否則會引起鍋爐出口過熱器管束間灰渣的“搭橋”，嚴重時甚至發(fā)生堵塞，從而導致鍋爐出口左右側過熱蒸汽溫度不正常。2.預測燃煤的結渣情況。煤灰熔融性與爐膛結渣關系密切。燃用煤粉鍋爐的運行經(jīng)驗是，煤灰的軟化溫度小于1350℃就有可能造成爐膛結渣，妨礙鍋爐的連續(xù)安全運行。3.為不同燃燒方式的鍋爐選擇燃煤。不同燃燒方式和排渣方式的鍋爐對煤灰的熔融性有不同的要求。固態(tài)排渣的鍋爐要求煤灰熔融溫度越高越好，以防止爐膛結渣。相反，因為煤灰熔融性溫度低的煤在相同的溫度下有較低的黏度，所以對液態(tài)排渣的鍋爐來說，則要求煤灰熔融溫度越低越好，其FT的最高值不宜超過1250℃，以確保排渣通暢。一、煤灰熔融性的測定意義4.判斷煤灰渣型。根據(jù)軟化區(qū)間溫度（DT-ST）的大小，可以粗略判斷煤灰渣型。一般認為當（DT-ST）=200～400℃為長渣，（DT-ST）=100～200℃為短渣。通常鍋爐燃用長渣煤時運行較為安全。燃用短渣煤時，由于爐溫增高，固態(tài)排渣爐可能會在很短的時間內(nèi)就出現(xiàn)大面積的嚴重結渣情況。5.選擇合適的氣化設備。一般認為，煤灰的變形溫度與鍋爐輕微結渣及其吸熱表面輕微積灰的溫度相對應，軟化溫度與鍋爐大量結渣和大面積積灰的溫度相對應，流動溫度與鍋爐中灰渣呈液態(tài)流動或從吸熱表面滴下和在燃料床爐柵上嚴重結渣的溫度相關聯(lián)。通常都是根據(jù)軟化溫度來選擇合適的合適的燃料或氣化設備，或根據(jù)燃燒和氣化設備來選擇具有合適軟化溫度的原料煤。一、煤灰熔融性的測定意義

煤灰熔融性是煤灰在規(guī)定條件下得到的隨加熱溫度而變化的變形、軟化、呈半球和流動特征的物理狀態(tài)。眾所周知，煤灰是一種由硅、鋁、鐵、鈣和鎂等多種元素的氧化物及它們間的化合物構成的復雜混合物，它沒有固定的熔點，當其加熱到一定溫度時就開始局部熔化，然后隨著溫度升高，熔化部分增加，到某一溫度時全部熔化。這種逐漸熔化作用，使煤灰試樣產(chǎn)生變形、軟化、半球和流動等物理狀態(tài)。人們就以這四個狀態(tài)的相應溫度來表征煤灰的熔融性，或者說煤灰熔融性就是出現(xiàn)這四個特征物理狀態(tài)時的溫度。

二、煤灰熔融性的概念

GB/T219-2008規(guī)定，采用角錐法測定煤灰的熔融性。角錐法設備簡單，操作方便，準確性較高。其方法要點是，將煤灰和糊精混合，制成一定尺寸的角錐體，放入特制的灰熔點測定爐內(nèi)。在一定的氣體介質(zhì)中以一定的升溫速度加熱，觀察并記錄灰錐形態(tài)變化過程中的四個特征熔融溫度——變形溫度、軟化溫度、半球溫度和流動溫度，見圖1。三、煤灰熔融性的測定

圖1灰錐熔融特征示意圖1.變形溫度DT?；义F尖端或棱開始變圓或彎曲時的溫度（如果灰錐尖保持原形，錐體收縮和傾斜不算變形溫度）；2.軟化溫度ST?；义F彎曲至錐尖觸及托板或灰錐變成圓球時的溫度；3.半球溫度HT。灰錐形變至近似半球形，即高約等于底長的一半時的溫度；4.流動溫度FT?；义F熔化展開成高度在1.5mm以下的薄層時的溫度。

通常將DT~ST溫度區(qū)間稱為煤灰的軟化范圍，ST~FT溫度區(qū)間稱為煤灰的熔化范圍，以ST作為衡量煤灰熔融性的主要指標三、煤灰熔融性的測定1.試驗氣氛影響煤灰熔融性測定結果的主要因素是試驗氣氛。此外，加熱速度、溫度測量的準確度、試樣尺寸、托板材料以及觀察者的主觀因素均會對測定結果產(chǎn)生影響。弱還原性氣氛氧化性氣氛通氣法封碳法空氣自由流通（50±10）%H2

（50±10）%CO2（60±5）%CO（40±5）%CO2石墨無煙煤試驗氣氛四、影響煤灰熔融性測定結果的因素2.煤灰成分的影響煤灰熔融性取決于它的化學組成。煤灰各主要成分對其熔融性的影響如下：氧化鋁（Al2