技术
摘要：选取晋城无烟煤和麦秆作为研究对象，利用压差法烧结温度测定装置测量不同灰化温度下煤和麦秆混合灰的烧结温度，再利用SEM－EDS以及XRD对灰样进行烧结特性分析。结果表明，不论灰化温度高低，随着麦秆的添加，煤和麦秆混合灰的烧结温度都呈现降低趋势，其降低幅度略有差别。灰化温度较低时，煤和麦秆混合灰的烧结温度低于灰化温度较高情况下混合灰的烧结温度。SEM－EDS分析表明，低温灰化得到的样品中出现较多不规则的纤维结构；较高温度下获得的灰样中出现较多致密的球状颗粒，这表明矿物质发生熔融形成球状颗粒。XRD分析表明，低温灰化烧结后的煤和麦秆混合灰样中因含有较多的含钾等碱金属系助融矿物质，导致混合灰样的烧结温度降低。然而，像钙长石等含钙矿物质本身具有较高的熔点，因此，在1100℃时混合灰样具有较高的烧结温度。
煤炭是中国的基础能源和战略原料，近年来，由于化石能源的不可再生特性，人们开始将目光转向可再生能源的利用[1]，而生物质能利用技术作为化石能源煤利用技术的有利补充，能够用于煤与生物质混烧、共气化等方面的研究。煤与生物质混烧技术有很多优势，比如低成本、减少CO2的排放等[2，3]。虽然煤和生物质混烧技术近些年越来越引起关注[4]，但由于生物质中碱金属含量较高，这也为生物质混煤燃烧带来了新的挑战，如严重的灰沉积、结渣和沾污等[5]。针对锅炉中煤灰的结渣问题，世界各国已经有较为系统的研究，但是由于生物质与煤各自特性的差异以及混烧过程中发生的一系列复杂反应，对于生物质与煤混烧的结渣问题，有必要进行深入的研究。
许多学者研究了煤和生物质混合灰的特性。Luan等[6]研究了生物质与煤混烧灰的组成和烧结温度，结果表明，随着生物质比例的增大，混烧灰的烧结温度降低，而且当生物质选用稻草时对烧结温度的影响比木屑更明显。Haykiri－Acma等[2]研究表明，在土耳其褐煤中添加5%和10%的榛子壳能够明显降低煤的烧结温度，而添加稻壳影响不明显。
Liu等[7]研究了水葫芦和煤混合浆的灰熔融特性，研究表明，随着水葫芦比例增大灰熔融温度呈现先降低后升高的趋势。Fang等[8]研究了烟煤和玉米秸秆混合灰的特性，结果表明，随着玉米秸秆添加量的增大混合灰熔融温度呈现先减小后增大的趋势。
虽然世界各国许多研究都对煤和生物质直接混烧[9-13]及灰的形成和沉积特性进行了研究[14-18]，但缺乏对煤和生物质混合灰的烧结特性系统的研究。灰烧结特性是电站燃煤锅炉中灰沾污和结渣初期过程中的关键环节，对于煤和生物质混合灰熔融机理的研究至关重要。
本研究利用压差法烧结温度测量装置，探索了不同灰化温度对煤和麦秆混合灰的烧结特性的影响，并结合扫描电子显微镜、X射线能谱以及X射线衍射光谱等分析手段，研究煤和麦秆混合灰样的形貌特征、元素组成和矿物特征，分析得出煤和麦秆混合灰的烧结机理，为煤与麦秆混烧提供基础数据及理论指导。
1实验部分
1.1实验样品制备
实验选取山西晋城煤(以下简称JC)和麦秆作为实验样品。将煤样研磨、筛分得到颗粒粒径低于100μm的煤粉，将麦秆粉碎得到粒径小于0.8mm的麦秆样品，麦秆与煤的掺混比例为5%：95%、10%：0%和25%：75%。其样品的工业分析、元素分析以及灰成分分析见表1。根据GB/T212—2008测定灰分方法所规定的步骤和要求制备灰样，将马弗炉预热到540℃，放入灰样缓慢灰化，然后再将炉膛分别升温至815、950和1100℃，将样品加热1h，冷却后取出即为所需灰样。
1.2烧结温度测定
本研究利用压差法烧结温度测量方法测量灰样
的烧结温度，详见文献[19，20]。实验中将φ8mm×10mm的灰柱放入8mm×100mm的莫来石管中。K型热电偶插入灰柱中用于控制加热过程中的温度。莫来石管放入电加热炉中，升温速率8℃/min。
实验所用气氛为空气，流量为4cm3/min。灰柱的一端由压力变送器持续记录其压力，另一端在常压状态下。灰柱两端的压差随温度升高而升高。在烧结开始初期，灰柱内产生新的气体通道，导致灰柱两端的压差迅速降低。灰的烧结温度就定义为压差发生突然变化时刻对应的温度。压差法测量烧结温度精度高(±9℃)，耗时少，较敏感[19]。
1.3 SEM－EDS和XRD分析
为了理解不同灰化温度时烧结特性的变化原因，本研究利用SEM－EDS以及XRD来研究灰样的形态特征和矿物特征。利用场发射扫描电镜及X射线能量色散谱仪对烧结灰柱的形貌及灰中矿物颗粒粒径和矿物质的化学组成及可能存在的矿物质进行分析。场发射扫描电子显微镜(SEM)采用TESCAN－Vega－3－XM系统，X射线能量色散谱仪(EDS)采用Oxford系统。EDS分析结合FSEM分析操作的加速电压25kV。
采用X射线衍射分析仪进行烧结灰柱的矿物质转变分析。所用仪器是日本理学D/Max－2550PC全自动粉末X射线衍射仪(XRD)，功率为40kV×250mA，CuKα辐射(λ=0.154059nm)，5°-85°扫描，步宽:0.02°，扫描速率:10(°)/min。灰中各种矿物质对X射线的吸收或反射量是不同的，它不仅与矿物质含量有关，而且与矿物质本身结晶好坏、混合物中其他矿物的存在有关，但对于同一种矿物质其衍射强度的变化可近似反映其含量的变化[21-23]。
2结果与讨论
2.1不同灰化温度对烧结温度的影响
图1为不同灰化温度下煤与麦秆混合灰的烧结温度。
由图1可知，不论灰化温度高低，随着麦秆的添加，混合灰的烧结温度都呈现降低趋势，不同的是降低幅度略有差别。这是由于麦秆中含有较多碱金属元素，碱金属元素的存在能降低灰的烧结温度。此外，在同一麦秆比例时，灰化温度较低时混合灰的烧结温度低于灰化温度较高条件下混合灰的烧结温度。这是由于低温灰化过程中麦秆中的K、Na和Cl等元素还未挥发，容易形成低熔点矿物质，如Na2SO4和KCl[15]等，从而降低灰的烧结温度。
