煤灰熔融性测定

一、实验目的

煤灰熔融性习惯上称为煤灰熔点。煤灰熔融性是动力用煤和气化用煤的重要指标之一。对固态排渣的燃烧炉和气化炉，要求原料煤的灰熔点越高越好，而对于液态排渣炉，则要求煤灰有较低的熔点，因为保留适当的熔渣可以起到保护炉栅的作用。煤灰熔触性的测定是判断结渣性的主要手段之一。

二、基本原理

本实验采用角锥法测定煤灰熔融性。将煤灰制成一定形状和尺寸的三角锥体，放在一定的气体介质中，以一定的升温速度加热，观察并记录其四个特征温度，如图16-1所示。

变形温度(DT):锥体尖端开始变圆或弯曲时的温度。

软化温度(ST):锥体弯曲至锥尖触及托板或锥体变球形时的温度。

半球温度(HT):灰锥变形至近似半球形，即高约等于底长的一半时的温度。

流动温度(FT):锥体熔化展开成高度在1.5mm以下的薄层时的温度。

图16- 1 灰锥熔融特征示意图

煤灰的熔融性主要取决于它们的化学组成。由于煤灰中总含有一定量的铁，铁在不同的气体介质中将以不同的形态存在，在氧化性气体介质中以三价铁(Fe2O3)形态存在;在弱还原性气体介质中，它将转变成二价铁(Fe O)，而在强还原性气体介质中，它将转变成金属铁(Fe)。三者的熔点以Fe O为最低(1420℃)，Fe2O3为最高(1560℃)，Fe居中(1535℃)。此外，Fe O能与煤灰中的Si O2生成熔点更低的硅酸盐，所以煤灰在弱还原性气体介质中熔点最低。

在工业锅炉和气化炉中，成渣部位的气体介质大都呈弱还原性，因此煤灰熔融性的测定就在模拟工业条件的弱还原性气氛中进行。根据要求也可在强还原性气氛和氧化性气氛中进行。

三、仪器设备和试剂

1.ZRC2000型灰熔点测定仪:由旋转式管式高温炉、微型计算机系统和CCD摄像机三部分组成，如图16-2所示。

2.铂铑铂热电偶及高温计:量程0～1500℃，精度1级，校正后使用。使用时热电偶需加气密的刚玉套管保护。

3.灰锥模子:试样用灰锥模子制成三角锥体，它是锥高为20mm、底边长为7mm的等腰三角形，锥体的一侧面垂直于底面。灰锥模子如图16- 3所示，由对称的两个半块构成，用黄铜或不锈钢制成。

4.灰锥托板:托板必须在1500℃下不变形，不与灰样发生作用，不吸收灰样，如图16- 4(a)所示。

图16- 2 硅碳管高温炉

1—热电偶;2—硅碳管;3—灰锥;4—刚玉舟;5—炉壳;6—刚玉外套管;7—刚玉内套管;8—泡沫氧化铝保温砖;9—电极片;10—观察孔

图16- 3 灰锥模子

图16- 4 灰锥托板模子和刚玉舟

5.刚玉舟:耐温1500℃以上，能盛放足够量的碳物质，如图16-4(b)所示。

6.墨镜:蓝色或黑色。

7.手电筒。

8.碳物质:灰分≤15%、粒度≤1mm的无烟煤、石墨或其他碳物质。

9.糊精:化学纯，配成100g/L水溶液(煮沸)。

10.二氧化碳。

11.氢气或一氧化碳。

12.煤灰熔融性标准物质:可用来检查实验气氛的煤灰熔融性标准物质。

13.玛瑙研钵。

四、实脸步骤

1.取粒度小于0.2mm的空气干燥煤样，按GB/T212规定将其完全灰化，然后用玛瑙研钵研细至0.1mm以下。

2.取1～2g煤灰放在瓷碗里，用数滴糊精溶液润湿并调成可塑状，然后用小刀铲入灰锥模中挤压成型。用小刀将模内灰锥小心地推至瓷板上，于空气中风干或于60℃下干燥备用。

3.将已制备好的灰锥置于灰锥托板的三角坑内，用糊精水溶液使之固定，并使灰锥垂直于底面的侧面与托板表面垂直。

4.将带灰锥的灰锥托板置于刚玉舟的槽中，然后在刚玉舟里放置控制炉内气氛用的物质。按不同气氛的要求，它们可以有不同种类。

弱还原性气氛:用封入一定量含碳物质的方法，即在刚玉舟中央放置石墨粉5～6g(对气密刚玉管炉膛);或在刚玉舟中央放置石墨粉15～20g，两端放置无烟煤40～50g(气疏高刚玉管炉膛)。也可用通气法即炉内温度达到600℃开始通入(50±10)%(体积分数)的氢气和(50± 10)%(体积分数)的二氧化碳混合气体;或者(40±5)%(体积分数)的二氧化碳和(60±5)% (体积分数)的一氧化碳混合气体。通气速度以能避免空气渗入为准，可为800～1000m L/min。

氧化性气氛:刚玉舟内不放任何碳物质，并使空气在炉内自由流通。

本实验是在以石墨粉为弱还原性气氛材料的条件下进行灰熔点的测定。

5.将热电偶插入炉膛，并使其热端位于高温恒温区中央正上方，但不触及炉膛。

6.打开高温炉炉盖，将刚玉舟徐徐推入炉膛，并使灰锥紧邻热电偶热端(相距2mm左右)，关上炉盖。

7.开始加热，控制升温速度:900℃以下为15～20℃/min，900℃以上为(5±1)℃/min。

8.随时观察灰锥的形态变化(高温下观察时，需戴上墨镜)，记录灰锥的四个熔融特征温度—变形温度、软化温度、半球温度和流动温度。待全部灰锥都达到流动温度或炉温升至1500℃时断电，结束实验。

五、实验记录和结果处理

1.记录试样的四个熔融特征温度DT、ST、HT和FT。

2.记录实验气氛的性质及控制方法。

3.对某些煤灰可能得不到明确的特性温度，而发生下述情况，此时应记录这些现象及相应温度。

(1)烧结——试样明显缩小至似乎熔化，但实际上却变成一烧结块，保持一定外形轮廓;

(2)收缩——试样由于表面挥发而缩小，但却保持原来的形状和尖锐的棱角;

(3)膨胀和鼓泡。

灰熔融性特征温度、测定值和报告值均修约到10℃。

六、精密度

煤灰熔融性测定的精密度如表16-1规定。

七、注意事项

表16- 1 煤灰熔融性测定的精密度

1.某些高熔点(一般是指大于1400℃)的煤灰，在升温过程中会出现在较低温度下锥尖开始微弯，然后变直，到一定温度后又弯曲的现象。第一次弯曲往往不是由于灰锥局部熔化，而是由于灰分失去结晶水而造成，故此时的温度不作为DT，应以第二次弯曲的温度为DT。

2.试样的实际受热温度和热电偶热端的温度之差是煤灰熔融性测定的误差来源之一。为了使试样和热电偶热端之间以及试样之间在一个温度梯度相当小的区域内受热，要求炉子恒温带不小于20mm。

八、思考题

1.DT、ST、HT、FT的温度间隔大小对实际应用有何意义?

2.用灰锥法测定煤灰的熔融性的主要优缺点是什么?

3.为何通常选用弱还原性气氛测定煤灰熔融性?

附录:ZRC2000型智能灰熔点测定仪使用说明

一、用途及主要特征

ZRC2000型智能灰熔点测定仪主要用于煤的灰熔融性的测定，适用于褐煤、烟煤、无烟煤，符合GB/T219—2008《煤灰熔融性的测定方法》要求。其主要特征如下:

1.由可旋转式管式高温炉、微型计算机系统及CCD摄像机三部分组成;

2.微机控制自动依据GB/T219—2008的要求控制升温速度;

3.具有自诊断程序，当仪器出现异常现象时，自动显示出错信息;

4.特细热电偶设计，使其对观测样品时的影响降至最低;

5.操作十分简单，使用时只需单击“试验开始”按钮，就自动进入程序控制，整个控温过程完全不用人工干预;

6.实验过程由摄像机采集图像，通过显示器监视，分辨率高且无强光辐射;

7.温度达到900℃时，微机以约1min的间隔存储图像，试验后可回放图像，可以人工判断灰锥形状，存储图像和温度，也可打印图像及温度。

二、原理及仪器参数

灰熔融性测定原理:将煤灰制成一定尺寸的三角锥，在一定的气体介质中，以一定的升温速度加热，观察灰锥在受热过程中的形态变化，观测并记录它的四个特征熔融温度:变形温度DT、软化温度ST、半球温度HT和流动温度FT。

主要参数:①电源，220V、50Hz、10k VA;②额定功率，0～6k W;③最高温度，1500℃;④温度分度值，1℃;⑤温度传感器，铂铑 铂热电偶;⑥控温方式，自动。

三、仪器使用

依据GB/T219—2008制备灰锥，将其推入高温炉中部高温区，根据要求，调整炉内气氛为弱还原或氧化。注意，热电偶顶端一定要放在与灰锥相同的位置，将摄像机镜头距灰锥观察孔100mm左右的位置轴向对准，单击“试验开始”按钮，仪器自动按要求的升温速度升温，在温度达到850℃左右时，调节光圈和焦距，使灰锥的图像最清晰且刚好能看清，900℃后注意观察变形、软化、半球及流动图像及温度。

随着温度的升高，图像渐渐清晰，如果图像有些亮度过高，可将光圈适当调小。焦距、光圈调好后，可以保持，以后试验就不用调整了。

四、软件安装

本仪器配套有2张3.5″测控程序安装盘，一般出厂均已安装好，如需要重新安装，可以在启动Windows后，将一号盘装入驱动器，单击“开始”→“运行”，在对话框中输入“A:setup”，单击“确定”，按照提示安装即可。为了延长软盘的使用寿命，可以在微机中创建一目录，将软盘中的所有内容拷贝到此目录即可，要安装时，只需进入此目录，双击“setup”文件图标即可。

五、软件使用

1.软件的启动

双击桌面上“ZRC智能灰熔点测定仪”图标，或者单击“开始”→“程序”→“ZRC智能灰熔点测定仪”。注意:系统启动后，请不要进行其他工作，以免对本系统造成影响。

2.试验开始

仪器完全准备好后，将灰锥样品放好，即可开始试验。只需单击“开始升温”，仪器即按照900℃前15～20℃/min、900℃后4～6℃/min的升温速度开始升温，同时主界面上显示图像(提示:因刚开始加热时，炉子内温度低，亮度也低，此时看不到灰锥的图像，只有等到炉温达到850℃以上时，才能看见灰锥的图像)、时间及炉温。

等到炉温达到900℃以上时，系统自动存储图像及温度值，特征温度的第一行的DT1、DT2、DT3、DT4四个按钮变为有效，如果灰锥达到了软化温度，可以单击相应的“DT”按钮，此时DT对应的图像和温度值保存，照此方法，直至全部操作完毕即可停止试验，单击“停止升温”即可，在任何时候，只要单击“停止升温”，即可中断试验。

3.存储温度

每次试验完毕后，应进行温度存储操作。单击“存储温度”，弹出存储样品选择窗口，单击“样品一”，图像预览栏显示一号样品的特征图像，在其下方对应有一号样品的特征温度值，将温度值按标准修正后，在输入编号或名称栏内输入一号样品的编号或名称(因这些字符要作为文件名存储，所以一定要符合文件系统的命名规则)，单击“存储”，即以输入的内容作为文件名，将特征温度值保存起来，此编号或名称一般应具有一定意义，以便日后查询数据时方便选择。

同样，其他样品操作方法同上。单击“返回”，回到主界面。

4.图像重放

单击“图像重放”，弹出图像重放界面。本界面功能有:特征温度及图像显示;特征温度值查询及打印;存储的任意一幅图像及温度值的结果打印;重放900～1500℃的图像及温度;清除历史图像等功能。

特征温度:单击“DT1”按钮，在左边的图像框内，显示出相应的一号样品的变形温度及图像。同样单击“ST1”，显示一号样的软化温度及图像，单击其他按钮，则显示出对应的特征温度及图像，单击图像框下边的“▼”或“▲”按钮，图像框则以5℃的间隔显示温度及图像。

单击“自动快放”按钮，则在图像框内，900～1500℃的图像及温度快速连续放映，可动态地观看灰锥的连续变化过程，很直观形象。

单击“特征温度”按钮或回放出某一图像，单击“打印”，可以打印出当前图像框内的图像及相应的温度值。单击“查询”按钮，弹出温度数据打开对话框，框内列出曾经存储过的数据文件，选中某一文件，单击“打开”，即在图像框内显示出相应的样品编号、试验日期及特征温度。单击“打印”，则打印出特征温度数据。

单击“清除历史图像”，确定后，将把上一次的试验数据全部删除且不能恢复。若要保留数据，请在每次试验完成后，将试验数据手工备份到指定的目录。若不清除，在新的试验开始前系统也有提示。单击“返回”，回到主界面。

5.系统设置

此项内容为仪器使用时的重要参数，供控温和校正温度时使用，在仪器出厂时均已设置好，一般情况下不要改动，以免造成控温不良和温度显示超差。一般出现以下情况时需要改变:

(1)更换的加热元件参数同原加热元件误差较大;

(2)控温波动较大，升温过快或者过慢;

(3)更换热电偶后，实测电压值对应的温度同温度显示值偏差较大。

调整参数时，一定要将原数据记录好，以免新的数据调整不当时，能够恢复到原来的数据。

6.退出

在“退出系统”按钮为有效时，单击即可退出本系统，进行其他操作。