煤的工业分析-煤的灰分(煤化学课件)

煤的灰分《煤化学》学校名称：目录概念灰分的来源灰分测定方法要点对煤加工利用的影响1234

煤样在规定条件下完全燃烧后的残留物称为煤的灰分，项目符号A。矿物质是煤中固有成分，其含量是在煤本身不受破坏的前提下测定而来；而灰分是煤中矿物质在一定温度下经一系列分解、化合等复杂反应后的产物，其产率由加热温度、加热时间、通风条件等因素决定。灰分来自矿物质，但组成和质量又不同于矿物质。一、煤的灰分的概念二、灰分的来源煤在高温燃烧或灰化过程中主要化学反应1.失去化合水

这类矿物质中最普遍的是高岭土，它们在500~600℃失去结晶水；石膏在163℃分解失去结晶水。灰分内在灰分：是由成煤植物中的矿物质以及由成煤过程中进入煤层的矿物质即内在矿物质所形成的灰分。外来灰分：是由煤炭生产过程中混入煤中的矿物质即外来矿物质形成的灰分

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

2）受热分解这类矿物质在500~800℃时分解并放出二氧化碳气体。CaCO3→CaO+CO2↑FeCO3→FeO+CO2↑

3）氧化反应温度为400~600℃时，在空气中氧的作用下进行。4FeS2+11O2→2Fe2O3+8SO2↑2CaO+2SO2+O2→2CaSO4

4FeO+O2→2Fe2O3

4）碱金属氧化物和氯化物在温度为700℃以上时部分挥发。故测定灰分的温度不宜太高，规定为815±10℃。二、灰分的来源

GB/T212-2008规定，灰分测定方法包括缓慢灰化法和快速灰化法两种。快速灰化法包括方法A和方法B两种方法，较适用于例行分析，但在校核实验及仲裁分析中仍需采用缓慢灰化法。这里以缓慢灰化法为例，简要说明灰分的测定要点。在缓慢灰化法中，将一定量的一般分析试验煤样，放入温度低于100℃的马弗炉中，以一定的速度加热到815±10℃，灰化并灼烧到质量恒定。以残留物的质量占煤样质量的质量分数作为灰分产率。空气干燥基灰分按式（1）计算，报告值修约至小数点后两位。

（1）式中Aad——空气干燥煤样灰分的质量分数，%；m——称取的一般分析试验煤样的质量，g；m1——灼烧后残留物的质量，g。三、灰分测定方法要点

煤在作为燃料或加工转化的原料时，几乎都是利用煤中的有机质，而矿物质或灰分历来被认为是有害废物，人们一直致力于设法降低或脱除煤中的矿物质或灰分。但是，长期的研究和生产实践发现，煤中矿物质对煤的某些加工利用过程是有益的，即使是灰分也得到了越来越广泛的利用。1.煤中矿物质或灰分的不利影响（1）增加了运输负荷和贮存成本。煤中矿物质含量越高，在煤炭运输和贮存中造成的浪费就越大。我国煤炭产地分布很不均匀，约有70%的铁路运能用于煤炭运输，每年因煤中矿物质含量过高造成的无效运输十分惊人。（2）增加了煤炭消耗。煤中矿物质除少量硫铁矿在燃烧过程中能产生少量热值外，其余绝大多数矿物质在燃烧过程中不但不产生热量还要吸收热量进行分解。此外，外排煤灰四、煤中矿物质和灰分对煤加工利用的影响时可能夹带一部分未燃煤，造成机械性燃料损失。据估算，动力用煤的灰分每增加1%，煤耗就要增加2.0%~2.5%。在炼焦过程中，煤中矿物质几乎全部进入焦炭，使其固定碳减少，用量增加，生产效率降低。一般认为，焦炭灰分每升高1%，高炉熔剂消耗量约增加4%，炉渣量约增加3%，每吨生铁消耗焦炭量增加1.7%~2.0%，生铁产量降低2.2%~3%，所以炼焦用煤的灰分含量应尽可能低些，一般以10%以下为宜。（3）影响生产操作条件和产品质量。在煤灰熔点相同的情况下，灰分含量高的煤比灰分含量低的煤容易结渣，且灰分越高结渣越严重，阻碍了燃烧和气化过程中气流的流通。由于焦炭与灰分的热膨胀性不同，焦炭会沿灰分颗粒周围产生裂纹并扩大，使焦炭碎裂或粉化。灰分中的钾、钠等成分会加速焦炭与CO2的反应，加速其消耗，四、煤中矿物质和灰分对煤加工利用的影响并导致反应后强度降低。用高硫或高磷煤生成的焦炭炼铁，会使钢铁发脆。煤在液化加工时，煤中矿物质使溶剂精制煤的过滤发生困难。煤中碱金属或碱土金属的化合物会使加氢液化过程中使用的钴钼催化剂活性降低。煤中含铁化合物对煤的氧化和自燃具有催化作用。（4）腐蚀设备和装置。煤中的铅和铋随燃烧气体带走，弱沉积在金属表面会产生颗粒边界脆化作用而导致金属损伤。煤中的黄铁矿使燃烧粉煤的锅炉炉底发生硫化作用而损伤，烟道气中的含硫成分使过热器、省煤器外部腐蚀，煤中氯离子是奥氏体钢的一种主要腐蚀剂，煤灰中的碱性成分能侵蚀炉内的耐火材料及金属设备。四、煤中矿物质和灰分对煤加工利用的影响（5）造成环境污染。燃煤细灰中含有各种矿物质成分，其中不乏多种痕量有毒元素如As、Cr、Pb、Hg、Cd等，这些微尘及有害元素对大气和水体造成污染。此外，锅炉和气化炉产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烧时生成SOx、COS、H2S等有毒气体，严重时会形成酸雨。2.煤中矿物质或煤灰的利用途径（1）作为煤加工转化过程的催化剂。黄铁矿、高岭土和二氧化钛等的存在对加氢液化具有催化活性，铝硅酸盐常常用作热裂解的催化剂。碱金属的碳酸盐（K2CO3、Na2CO3）、氯化物（KCl、NaCl）、碱土金属氧化物（CaO）等是煤气化的催化剂。四、煤中矿物质和灰分对煤加工利用的影响（2）生产建筑材料和环保制剂。利用煤矸石和煤灰可以生产不同标号的水泥、砖瓦、大型砌块、筑路材料和装饰材料，还可生产铸石和耐火材料。气化煤灰可用作煤气脱硫剂，粉煤灰还可制成废水处理剂、除草醚载体等。（3）生产化肥和土壤改良剂。在煤的液态渣中喷入磷矿石，可制成复合磷肥。（4）提取有用成分。煤中常见的伴生元素主要有铀、锗、镓、钒、钍、钛等元素。它们赋存于不同的煤种中，通过科学的方法，可对这些伴生元素进行富集，用来制造半导体、超导体、催化剂、优质合金钢等材料。回收煤灰中的SiO2可制成白炭黑和水玻璃，提取煤灰中的Al2O3可生产聚合氯化铝等。四、煤中矿物质和灰分对煤加工利用的影响煤灰的组成《煤化学》学校名称：目录概念煤灰的化学组成煤灰成分的分析方法测定煤灰成分的意义1234一、概念煤的灰分与煤灰

从严格意义上讲，煤的灰分与煤灰是两个不同的概念。灰分是规定条件下煤中矿物质燃烧后的产物；煤灰是煤作为锅炉燃料或气化等原料时，在工业生产条件下得到的大量残渣，可分为粉煤灰和灰渣两种。粉煤灰又称飞灰，是指同烟道气和煤气一起带出的粒径小于90μm的灰尘；炉渣则是指呈熔融状态或以较大颗粒的不熔状态从炉底排出的底灰。

煤灰分与煤灰的化学组成是一致的，通常用元素氧化物的形式表达。煤灰主要成分包括二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钙、氧化镁、二氧化钛、五氧化二磷、三氧化硫、氧化钾和氧化钠等，此外还有极少量的钒、钼、钍、锗、镓等的化合物。表1是我国煤灰主要成分的一般范围。二、煤灰的化学组成表1我国煤灰主要成分的一般范围煤灰成分褐煤/%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学分析法常量分析法半微量分析法仪器分析法原子吸收光谱法、X射线荧光测定法、中子活化分析法

GB/T1574-2007规定了煤灰中铁、钙、镁、钾、钠、锰、磷、硅、铝、钛、硫的测定方法，适用于煤、焦炭、水煤浆和煤矸石。煤灰分中主要的单个常量元素和少量元素的测定方法见表2。表2煤灰中主要单个元素的测定方法测定方法元素测定方法元素光发射法K、Na、Ti中子活化分析法Fe、Na、Si、Al原子吸收法Ca、K、Na、Mg化学法Fe、Ca、Mg、K、Na、P、Si比色法Al、Ca、Mg、P、Ti电化学法Ca、Mg、Ti火焰发射法Ca、Mg、K、Na

三、煤灰成分的分析方法四、测定煤灰成分的意义煤灰成分的变化很大，但也有规律可循。同一煤层煤的灰成分变化往往较小，而不同成煤时代煤的灰成分则往往变化很大，因而在地质勘探过程中，可用煤灰成分作为煤层对比的参考依据之一；煤灰成分可以为灰渣综合利用提供基础技术资料，我国不少矿区的煤灰成分中三氧化二铝的质量分数可达40%左右，可作为提取聚合碱式氧化铝的原料；根据煤灰成分可初步判断煤灰的熔融性和流动性，根据煤灰中钠、钾和钙等碱性氧化物成分的高低，大致判断煤在燃烧时对锅炉燃烧室的腐蚀和沾污情况。此外，根据某些煤灰组成中各氧化物之和与总量有较大差异的现象，还可推断某些稀有元素在煤中的富集情况。

煤灰的熔融性《煤化学》学校名称：目录测定意义煤灰熔融性的概念煤灰熔融性的测定影响测定结果的因素1234测定煤灰熔融温度对工业生产特别是火力电厂和气化炉造气等具有重要意义。1.为锅炉设计选择炉膛出口烟温和锅炉安全运行提供依据。在设计锅炉时，炉膛出口烟温一般要求比煤灰的软化温度低50～100℃，在实际运行中也要控制在此温度范围内，否则会引起锅炉出口过热器管束间灰渣的“搭桥”，严重时甚至发生堵塞，从而导致锅炉出口左右侧过热蒸汽温度不正常。2.预测燃煤的结渣情况。煤灰熔融性与炉膛结渣关系密切。燃用煤粉锅炉的运行经验是，煤灰的软化温度小于1350℃就有可能造成炉膛结渣，妨碍锅炉的连续安全运行。3.为不同燃烧方式的锅炉选择燃煤。不同燃烧方式和排渣方式的锅炉对煤灰的熔融性有不同的要求。固态排渣的锅炉要求煤灰熔融温度越高越好，以防止炉膛结渣。相反，因为煤灰熔融性温度低的煤在相同的温度下有较低的黏度，所以对液态排渣的锅炉来说，则要求煤灰熔融温度越低越好，其FT的最高值不宜超过1250℃，以确保排渣通畅。一、煤灰熔融性的测定意义4.判断煤灰渣型。根据软化区间温度（DT-ST）的大小，可以粗略判断煤灰渣型。一般认为当（DT-ST）=200～400℃为长渣，（DT-ST）=100～200℃为短渣。通常锅炉燃用长渣煤时运行较为安全。燃用短渣煤时，由于炉温增高，固态排渣炉可能会在很短的时间内就出现大面积的严重结渣情况。5.选择合适的气化设备。一般认为，煤灰的变形温度与锅炉轻微结渣及其吸热表面轻微积灰的温度相对应，软化温度与锅炉大量结渣和大面积积灰的温度相对应，流动温度与锅炉中灰渣呈液态流动或从吸热表面滴下和在燃料床炉栅上严重结渣的温度相关联。通常都是根据软化温度来选择合适的合适的燃料或气化设备，或根据燃烧和气化设备来选择具有合适软化温度的原料煤。一、煤灰熔融性的测定意义

煤灰熔融性是煤灰在规定条件下得到的随加热温度而变化的变形、软化、呈半球和流动特征的物理状态。众所周知，煤灰是一种由硅、铝、铁、钙和镁等多种元素的氧化物及它们间的化合物构成的复杂混合物，它没有固定的熔点，当其加热到一定温度时就开始局部熔化，然后随着温度升高，熔化部分增加，到某一温度时全部熔化。这种逐渐熔化作用，使煤灰试样产生变形、软化、半球和流动等物理状态。人们就以这四个状态的相应温度来表征煤灰的熔融性，或者说煤灰熔融性就是出现这四个特征物理状态时的温度。

二、煤灰熔融性的概念

GB/T219-2008规定，采用角锥法测定煤灰的熔融性。角锥法设备简单，操作方便，准确性较高。其方法要点是，将煤灰和糊精混合，制成一定尺寸的角锥体，放入特制的灰熔点测定炉内。在一定的气体介质中以一定的升温速度加热，观察并记录灰锥形态变化过程中的四个特征熔融温度——变形温度、软化温度、半球温度和流动温度，见图1。三、煤灰熔融性的测定

图1灰锥熔融特征示意图1.变形温度DT。灰锥尖端或棱开始变圆或弯曲时的温度（如果灰锥尖保持原形，锥体收缩和倾斜不算变形温度）；2.软化温度ST。灰锥弯曲至锥尖触及托板或灰锥变成圆球时的温度；3.半球温度HT。灰锥形变至近似半球形，即高约等于底长的一半时的温度；4.流动温度FT。灰锥熔化展开成高度在1.5mm以下的薄层时的温度。

通常将DT~ST温度区间称为煤灰的软化范围，ST~FT温度区间称为煤灰的熔化范围，以ST作为衡量煤灰熔融性的主要指标三、煤灰熔融性的测定1.试验气氛影响煤灰熔融性测定结果的主要因素是试验气氛。此外，加热速度、温度测量的准确度、试样尺寸、托板材料以及观察者的主观因素均会对测定结果产生影响。弱还原性气氛氧化性气氛通气法封碳法空气自由流通（50±10）%H2

（50±10）%CO2（60±5）%CO（40±5）%CO2石墨无烟煤试验气氛四、影响煤灰熔融性测定结果的因素2.煤灰成分的影响煤灰熔融性取决于它的化学组成。煤灰各主要成分对其熔融性的影响如下：氧化铝（Al2