煤的工業(yè)分析-煤的灰分(煤化學(xué)課件)

煤的灰分《煤化學(xué)》學(xué)校名稱：目錄概念灰分的來源灰分測定方法要點(diǎn)對(duì)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(xiàng)目符號(hào)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(fù)雜反應(yīng)后的產(chǎn)物，其產(chǎn)率由加熱溫度、加熱時(shí)間、通風(fēng)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(xué)反應(yīng)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(jié)晶水；石膏在163℃分解失去結(jié)晶水?；曳謨?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(jìn)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(shí)分解并放出二氧化碳?xì)怏w。CaCO3→CaO+CO2↑FeCO3→FeO+CO2↑

3）氧化反應(yīng)溫度為400~600℃時(shí)，在空氣中氧的作用下進(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)。在緩慢灰化法中，將一定量的一般分析試驗(yàn)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?jǐn)?shù)作為灰分產(chǎn)率?？諝飧稍锘曳职词剑?）計(jì)算，報(bào)告值修約至小數(shù)點(diǎn)后兩位。

（1）式中Aad——空氣干燥煤樣灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；m——稱取的一般分析試驗(yàn)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(diǎn)

煤在作為燃料或加工轉(zhuǎn)化的原料時(shí)，幾乎都是利用煤中的有機(jī)質(zhì)，而礦物質(zhì)或灰分歷來被認(rèn)為是有害廢物，人們一直致力于設(shè)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(shí)踐發(fā)現(xiàn)，煤中礦物質(zhì)對(duì)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(yùn)輸負(fù)荷和貯存成本。煤中礦物質(zhì)含量越高，在煤炭運(yùn)輸和貯存中造成的浪費(fèi)就越大。我國煤炭產(chǎn)地分布很不均勻，約有70%的鐵路運(yùn)能用于煤炭運(yùn)輸，每年因煤中礦物質(zhì)含量過高造成的無效運(yùn)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(jìn)行分解。此外，外排煤灰四、煤中礦物質(zhì)和灰分對(duì)煤加工利用的影響時(shí)可能夾帶一部分未燃煤，造成機(jī)械性燃料損失。據(jù)估算，動(dòng)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(jìn)入焦炭，使其固定碳減少，用量增加，生產(chǎn)效率降低。一般認(rèn)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(yīng)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(diǎn)相同的情況下，灰分含量高的煤比灰分含量低的煤容易結(jié)渣，且灰分越高結(jié)渣越嚴(yán)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(huì)沿灰分顆粒周圍產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)大，使焦炭碎裂或粉化?；曳种械拟?、鈉等成分會(huì)加速焦炭與CO2的反應(yīng)，加速其消耗，四、煤中礦物質(zhì)和灰分對(duì)煤加工利用的影響并導(dǎo)致反應(yīng)后強(qiáng)度降低。用高硫或高磷煤生成的焦炭煉鐵，會(huì)使鋼鐵發(fā)脆。煤在液化加工時(shí)，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(huì)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(duì)煤的氧化和自燃具有催化作用。（4）腐蝕設(shè)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(huì)產(chǎn)生顆粒邊界脆化作用而導(dǎo)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(shè)備。四、煤中礦物質(zhì)和灰分對(duì)煤加工利用的影響（5）造成環(huán)境污染。燃煤細(xì)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(duì)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(shí)生成SOx、COS、H2S等有毒氣體，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(duì)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(duì)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(biāo)號(hào)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(fù)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(xué)的方法，可對(duì)這些伴生元素進(jìn)行富集，用來制造半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、催化劑、優(yōu)質(zhì)合金鋼等材料。回收煤灰中的SiO2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(duì)煤加工利用的影響煤灰的組成《煤化學(xué)》學(xué)校名稱：目錄概念煤灰的化學(xué)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(yán)格意義上講，煤的灰分與煤灰是兩個(gè)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(shí)，在工業(yè)生產(chǎn)條件下得到的大量殘?jiān)煞譃榉勖夯液突以鼉煞N。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(xué)組成是一致的，通常用元素氧化物的形式表達(dá)。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(xué)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(xué)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(gè)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(gè)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(xué)法Fe、Ca、Mg、K、Na、P、Si比色法Al、Ca、Mg、P、Ti電化學(xué)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(shí)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(duì)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(chǔ)技術(shù)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?jǐn)?shù)可達(dá)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(dòng)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(shí)對(duì)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(xué)》學(xué)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(jié)果的因素1234測定煤灰熔融溫度對(duì)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(shè)計(jì)選擇爐膛出口煙溫和鍋爐安全運(yùn)行提供依據(jù)。在設(shè)計(jì)鍋爐時(shí)，爐膛出口煙溫一般要求比煤灰的軟化溫度低50～100℃，在實(shí)際運(yùn)行中也要控制在此溫度范圍內(nèi)，否則會(huì)引起鍋爐出口過熱器管束間灰渣的“搭橋”，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生堵塞，從而導(dǎo)致鍋爐出口左右側(cè)過熱蒸汽溫度不正常。2.預(yù)測燃煤的結(jié)渣情況。煤灰熔融性與爐膛結(jié)渣關(guān)系密切。燃用煤粉鍋爐的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)是，煤灰的軟化溫度小于1350℃就有可能造成爐膛結(jié)渣，妨礙鍋爐的連續(xù)安全運(yùn)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(duì)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?fàn)t膛結(jié)渣。相反，因?yàn)槊夯胰廴谛詼囟鹊偷拿涸谙嗤臏囟认掠休^低的黏度，所以對(duì)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(rèn)為當(dāng)（DT-ST）=200～400℃為長渣，（DT-ST）=100～200℃為短渣。通常鍋爐燃用長渣煤時(shí)運(yùn)行較為安全。燃用短渣煤時(shí)，由于爐溫增高，固態(tài)排渣爐可能會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)大面積的嚴(yán)重結(jié)渣情況。5.選擇合適的氣化設(shè)備。一般認(rèn)為，煤灰的變形溫度與鍋爐輕微結(jié)渣及其吸熱表面輕微積灰的溫度相對(duì)應(yīng)，軟化溫度與鍋爐大量結(jié)渣和大面積積灰的溫度相對(duì)應(yīng)，流動(dòng)溫度與鍋爐中灰渣呈液態(tài)流動(dòng)或從吸熱表面滴下和在燃料床爐柵上嚴(yán)重結(jié)渣的溫度相關(guān)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(shè)備，或根據(jù)燃燒和氣化設(shè)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(dòng)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(gòu)成的復(fù)雜混合物，它沒有固定的熔點(diǎn)，當(dāng)其加熱到一定溫度時(shí)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(shí)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(dòng)等物理狀態(tài)。人們就以這四個(gè)狀態(tài)的相應(yīng)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(gè)特征物理狀態(tài)時(shí)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(shè)備簡單，操作方便，準(zhǔn)確性較高。其方法要點(diǎn)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(diǎn)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(gè)特征熔融溫度——變形溫度、軟化溫度、半球溫度和流動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)的溫度；4.流動(dòng)溫度FT。灰錐熔化展開成高度在1.5mm以下的薄層時(shí)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(biāo)三、煤灰熔融性的測定1.試驗(yàn)氣氛影響煤灰熔融性測定結(jié)果的主要因素是試驗(yàn)氣氛。此外，加熱速度、溫度測量的準(zhǔn)確度、試樣尺寸、托板材料以及觀察者的主觀因素均會(huì)對(duì)測定結(jié)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(yàn)氣氛四、影響煤灰熔融性測定結(jié)果的因素2.煤灰成分的影響煤灰熔融性取決于它的化學(xué)組成。煤灰各主要成分對(duì)其熔融性的影響如下：氧化鋁（Al2