通过磷调控煤灰熔融温度的机制

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Mechanisms governing coal ash fusion temperature by phosphorus

磷含量对煤灰熔融特性的影响及机制研究。通过添加不同比例的钙磷和铁磷添加剂，结合XPS/XRD分析和热平台显微镜系统，揭示了磷促进低熔点液相形成，加速莫来石等难熔矿物的溶解，其中铁磷添加剂使熔点降低幅度更大（1336℃和1261℃）。

　　在当今快速城市化的背景下，中国的污水排放量持续上升，而污水处理过程中产生的污泥（Sewage Sludge, SS）成为了一个亟需处理的重要副产品。污泥通常含有约80%的水分、有机物以及有毒的病原体，这使得其处理成为一项复杂的挑战。随着污泥产量的增长，如何高效、安全地处理这一废弃物成为环境工程和能源科学领域的重要议题。尤其是在燃煤过程中，污泥的掺混利用不仅能够提高资源利用率，还能为能源生产提供新的思路。

污泥中含有较高的磷含量，这与污水处理中使用的凝聚剂（如铁基凝聚剂）密切相关。这些凝聚剂能够捕获正磷酸盐离子，并促使它们沉淀。此外，用于污泥脱水和消毒的生石灰（CaO）也会引入钙磷化合物。因此，污泥中的主要无机磷来源包括钙磷和铁磷化合物。磷的存在对燃煤过程中的灰熔融温度具有显著影响，然而，目前关于磷如何影响灰熔融行为的机制尚不明确。特别是在煤与污泥共气化过程中，形成的含磷液相是否能够促进难熔矿物的溶解，从而改变灰熔融特性，仍缺乏直接的实验证据。

为了深入探讨磷对煤灰熔融温度的影响，研究团队采用了一种系统性的方法。他们选择了两种磷化合物作为磷源：钙磷酸盐和铁磷酸盐。为了排除钙和铁本身对灰熔融温度的影响，还分别添加了对应的氧化物（CaO和Fe?O?）作为对照。通过一系列实验手段，包括X射线衍射分析（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）以及热台显微镜系统，研究人员全面分析了煤灰在不同磷添加条件下的矿物组成变化和磷的存在形式，以及在初始液相形成阶段中难熔矿物如莫来石的溶解行为。

实验结果表明，添加8%的钙磷酸盐和铁磷酸盐能够显著降低煤灰的流动温度（FT），分别从高于1500°C降至1336°C和1261°C。相比之下，铁磷酸盐对灰熔融温度的降低效果更为明显。此外，磷的蒸发率随着温度的升高而增加，约有50%的磷在1400°C条件下被保留在样品中。研究还发现，磷的存在促进了PO?3?向熔融渣中溶解的P?O?的转化，从而影响了灰熔融过程的热力学平衡。这些发现为理解磷在煤灰熔融中的作用提供了新的视角，特别是在初始加热阶段形成的含磷液相对难熔矿物溶解的影响。

从文献综述的角度来看，已有研究表明磷对煤灰熔融特性的影响主要依赖于煤灰中Al?O?/(CaO+Na?O+K?O)（A/CNK）的摩尔比。当A/CNK比值低于1时，磷倾向于与钙反应，形成钙基的难熔矿物；而当A/CNK比值高于1时，磷主要以无定形相存在，从而降低灰熔融温度。此外，一些研究还指出，P?O?对煤灰熔融温度的影响具有一定的非线性特征，即在低Al?O?/CaO比值下，P?O?的加入会导致灰熔融温度先降低后升高，最终再次降低。然而，当Al?O?/CaO比值增加时，灰熔融温度则呈现逐渐下降的趋势。这一现象表明，磷对煤灰熔融温度的影响不仅取决于其自身的化学性质，还与煤灰中其他矿物成分的相互作用密切相关。

进一步研究还发现，磷与钙、铝等元素之间的相互作用可能导致煤灰中主要矿物成分从硅酸盐向磷酸盐转变。这种转变不仅改变了灰熔融的热力学行为，还可能影响熔融渣的流动性和粘度，进而影响气化过程的效率和设备的运行稳定性。此外，磷的引入可能还会改变煤灰中碱性物质的分布，从而对灰熔融过程中的反应路径产生影响。

在实验过程中，研究人员还特别关注了含磷液相对难熔矿物溶解的影响。通过热台显微镜观察，他们发现，含磷液相的形成能够显著促进莫来石等难熔矿物的溶解。这一过程在铁磷存在的情况下尤为明显，表明铁在磷的液相形成和矿物溶解中扮演了重要角色。这种增强的溶解效应可能源于铁磷与莫来石之间的化学反应，或者铁磷在高温下形成的液相能够提供更强的溶剂作用，从而加速矿物的分解。

研究团队还对实验数据进行了热力学平衡计算，以进一步阐明磷对煤灰熔融温度的影响机制。这些计算揭示了磷在高温下的行为模式，包括其与钙、铁等元素的反应路径以及液相形成的热力学条件。通过这些分析，研究人员能够更准确地预测磷在煤灰熔融过程中的作用，并为实际应用提供理论依据。

综上所述，磷在煤灰熔融过程中起到了关键作用，尤其是在初始加热阶段形成的含磷液相对难熔矿物溶解的影响。研究结果表明，铁磷对灰熔融温度的降低效果优于钙磷，这可能与铁在液相形成和矿物反应中的独特性质有关。这些发现不仅有助于深入理解磷在煤灰熔融中的作用机制，还为优化煤与污泥共气化过程提供了重要的科学依据。未来的研究可以进一步探讨不同磷化合物在不同煤灰组成下的作用差异，以及如何通过调控磷的添加方式来实现更高效的气化过程。此外，还可以结合实际工程应用，评估磷对气化设备性能和运行安全的影响，从而推动这一技术在工业中的广泛应用。