高铝煤灰分熔融特性配煤优化方法与机理研究

针对高铝煤（HAC）因高灰熔融温度（AFT）限制气化应用的问题，研究人员以低 AFT 新疆煤（XJ）与准格尔高铝煤（JG）配煤，借助多种分析手段，发现 XJ 可促进含铝物相转变、改变铝氧网络结构，降低 AFT 和黏度，为 HAC 利用提供新路径。

　　

在煤炭清洁高效利用的领域中，高铝煤（HAC，灰分中 Al₂O₃质量分数＞38%）作为中国西北地区储量丰富的特殊煤种，虽蕴含接近 Ⅲ 级铝土矿标准的氧化铝资源（Al₂O₃＞40%），但其煤灰中大量存在的高岭石、勃姆石等含铝矿物，导致灰熔融温度（AFT）极高，流动温度（FT）常达 1600°C，远超煤气化工艺要求的 1400°C 以下，且灰渣黏度难以满足 5–25 Pa?s 的操作范围。这使得高铝煤在气流床气化炉（EFG）中易因温度波动引发渣黏度升高、堵塞设备甚至系统停机，而传统添加助熔剂的方式又存在耗氧耗能的弊端。因此，如何通过配煤技术优化高铝煤灰分的熔融特性，突破其气化应用瓶颈，成为亟待解决的关键问题。

为攻克这一难题，安徽理工大学的研究人员开展了相关研究。他们选取内蒙古准格尔高铝煤（JG）作为研究对象，以新疆低灰熔融温度煤（XJ）作为配煤，通过一系列实验探究不同 XJ 质量配比下混合煤灰的熔融特性及微观作用机制，相关成果发表在《Chinese Journal of Chemical Engineering》。

研究主要采用了 X 射线衍射（XRD）、X 射线光电子能谱（XPS）、²⁷Al 核磁共振（²⁷Al NMR）、高温阶段显微镜（HTSM）及热力学模拟等技术手段。实验选取 JG 和 XJ 两种风干烟煤，粉碎至粒径小于 0.198 mm 后干燥处理，依据国家标准进行工业分析、元素分析及热值测定。

配煤比例对灰熔融温度和黏度的影响

通过改变 XJ 质量配比，发现混合煤灰的 AFT 随 XJ 比例增加呈下降趋势。当 XJ 质量比达 60% 时，混合煤灰的 FT 降至 1397°C，满足气化工艺要求。同时，混合灰黏度变化趋势与 AFT 一致，XJ 质量比从 20% 增至 30% 时，黏度显著降低，最佳配煤比例范围为 30%–60%，可同时满足 AFT 和黏度要求。

含铝物相及结构演变

研究表明，XJ 的引入促使混合灰熔融过程中铝酸钙相（钙铝黄长石 Ca₂Al₂SiO₇）向钙长石（CaAl₂Si₂O₈）和莫来石（Al₆Si₂O₁₃）转变，并在高温下生成更多无定形物质。微观成像显示，反应 / 熔融位点数量及面积扩展速率增加，灰面积收缩率和熔融温度降低。

铝氧网络结构变化

XPS 和²⁷Al NMR 分析发现，配煤改变了铝氧网络结构。随着 XJ 比例增加，体系中 O^2?和 O^?相对浓度上升，部分 [AlO₆]^9?转化为 [AlO₄]^5?，削弱了铝氧网络与硅氧网络的结合力，降低了铝酸盐结构稳定性，进而改善 AFT 和黏度。

结论与意义

本研究揭示了配煤优化高铝煤灰熔融特性的核心机制：通过低 AFT 煤引入的碱性氧化物，调控含铝物相转变及铝氧网络结构，促进低熔点相生成和网络解聚，从而降低 AFT 和黏度。该成果为高铝煤的高效气化利用提供了经济可行的配煤策略，不仅拓展了高铝煤的工业应用场景，也为解决中国铝土矿资源短缺问题、推动煤炭资源综合利用开辟了新路径。研究中多技术联用的微观表征方法，为煤基固废资源化及煤灰熔融机理研究提供了重要参考范例。