0 引 言

中国是世界上最大的煤炭生产和消费国家，拥有丰富的煤炭资源，而且分布较为广泛。其中神东煤田位列世界七大煤田之一，神东煤以低水分、低灰分和高发热量等优点而知名［1－2］。目前，神东矿区已成为国内最大的优质动力煤生产基地之一［3］。煤气化是煤化工的基础，近些年随着煤气化技术的快速发展，神东煤作为中国优质煤炭资源在煤气化原料煤上的优势也逐渐突显，在煤气化领域具有较大的竞争力［4］。但该煤田大部分成煤于侏罗纪时代，灰熔点普遍较低，结渣性强，在实际应用过程中很容易造成炉体结渣和腐蚀等问题［5］。

煤灰是煤经过燃烧后剩余的残渣，主要来源于煤中的无机矿物质。煤中的矿物主要是指煤中除水分以外的所有无机成分，根据其来源可分为原生矿物质、次生矿物质和外来矿物质［6］。从元素组成角度来看，煤中的大部分矿物为硅酸盐矿物、硫酸盐矿物、碳酸盐矿物和氧化物矿物等。煤中矿物质是煤的重要组成部分，在煤炭加工利用过程中起着不可忽视的作用，尤其是在气化和燃烧方面［7］。矿物质在煤的利用过程中会发生非常复杂的热转化行为，这些矿物热转化行为会直接对煤灰结渣、熔融行为和黏温特性产生影响，进而会影响到炉况的正常运行［8－11］。

目前，很多国内外研究者对煤的利用过程中矿物在高温下的热转变行为进行了广泛研究［12－15］。大部分研究者都认为煤中的矿物可以分为耐熔矿物和助熔矿物，一般情况下耐熔矿物（如莫来石、高岭石和石英等）含量越高煤灰的熔融温度越高；而助熔矿物（如方解石、黄铁矿和白云母等）含量较高时煤灰熔融温度相对较低［16］。黄振宇等［17］认为莫来石在煤灰熔融过程中起到骨架作用，能显著提高煤灰的熔融温度，同时含铁矿物在高温下易与煤灰中莫来石反应生成易熔矿物，从而降低煤灰熔融温度。程军等［18］认为CaO是重要的助融物质，能与莫来石或偏高岭石反应形成钙长石，不仅可以消耗在煤灰熔融过程中起骨架支撑作用的莫来石，而且生成的钙长石在高温下不稳定，极易与硅铝氧化物或硅铝酸盐类形成低温共融物。

本实验主要针对神东侏罗纪煤中矿物的类型以及气化条件下神东煤中矿物的热转化特性进行研究，揭示在气化条件下神东侏罗纪煤中的矿物热转化机理，准确掌握神东煤田煤灰矿物热转化行为与煤灰渣熔体特性之间的关系，以期为气化炉或锅炉合理正确地选择排渣方式、确保炉子安全经济运行提供参考。

1 实验部分

1.1 样品制备

实验原料以神木活鸡兔露天矿煤为研究对象。按照国家标准GB／T 212－2008《煤的工业分析方法》和GB／T 476－2008《煤中碳和氢的测定方法》对实验原料进行工业分析和元素分析，结果如表1所示。按照国家标准GB／T 1574－2007《煤灰成分分析方法》以及GB／T 219－2008《煤灰熔融性的测定方法》对实验原料煤灰样品进行分析，测试结果见表2。

表1 煤的工业分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of samples＊ By difference.?

1.2 实验方法

首先采用浮沉实验得到原料煤中的矿物富集样品，对原料煤中的矿物富集样品进行煤岩分析以及XRD分析，得出原煤中所含有的矿物成分。然后在高温炉中加热原煤灰样品，激冷得到不同温度下的煤灰渣样品，对不同温度下的煤灰渣样品采用XRD分析不同温度下的煤灰渣样品中的矿物组成。采用德国STA 449F3型综合热分析仪对矿物富集样品进行热分析实验。运用FactSage热力学分析软件模拟煤灰在受热过程中的矿物变化情况。

表2 煤灰成分和灰熔融性分析Table 2 Ash composition and fusibility analysis of raw coal?

1.2.1 煤岩分析

首先对原料煤进行浮沉实验，选择氯化锌作为浮沉介质，密度级选择为ρ＝1.8kg／m3，得到矿物富集的浮下物样品，然后将浮下物样品按照国家标准GB／T －2008《煤岩分析样品制备方法》制成煤岩光片，采用煤炭科学技术研究院有限公司研发的BRICC－M型煤岩自动测试系统对样品中的矿物成分进行观察。

1.2.2 激冷实验

将适量煤灰样品置于刚玉坩埚中在高温炉中加热至设定温度后恒温1h，迅速取出投入到冷水中，使其温度迅速降至室温，尽可能完整地保存在设定温度下煤灰中的矿物晶体形态。将得到的煤灰渣样品置于烘箱中干燥2h以上，保证激冷过程中接触的水分彻底烘干后，破碎、研磨至粒度为0.075mm进行XRD分析。同样的步骤得到多个温度点下的不同灰渣样品进行XRD分析。