0 引言

　　煤氣化是現代煤化工技術發展的核心，氣流床氣化技術具有單爐處理量大、氣化效率高等優點，已成為煤氣化技術發展的主要方向。水煤漿和干煤粉加壓氣流床氣化技術均采用液態排渣，要求煤灰的流動溫度(flow temperature，FT)低于 1400℃且熔渣黏度需在 2.5 Pa・s~25 Pa・s 范圍內。因此，煤灰在高溫下的流動性質是決定氣流床氣化爐長周期穩定運行的關鍵參數。然而，我國煤炭資源中高灰熔點煤(FT 高于 1400℃)約占保有儲量的 57%，將高灰熔點煤直接用于氣流床氣化將導致氣化爐排渣時發生結渣和堵渣現象。因此，為了使高灰熔點煤能夠用于氣流床氣化，需要降低高灰熔點煤灰的熔融特征溫度(ash fusion temperatures，AFTs)。

　　山西省煤炭資源豐富，全省煤炭資源總量為 6557.57 億 t，占全國煤炭資源總量的 11.9%，是我國的煤炭大省。但山西煤炭資源中高灰熔點煤約占山西煤炭資源總量的 40%，且屬于中變質程度的無煙煤，其煤灰中 SiO₂和 Al₂O₃質量分數之和接近 90%，硅鋁質量比在 1.2~2.0 內，屬于典型的硅鋁含量高、硅鋁質量比低煤灰。添加助熔劑是工業中最常用和最成熟的調控煤灰熔融特性的方法，石灰石是目前使用最為廣泛的助熔劑，其有效成分為 CaO。

　　然而，僅添加 CaO 降低山西典型無煙煤灰熔融溫度存在助熔劑添加量高、無法有效降低煤灰 AFTs 等問題。當無法使用單一組分助熔劑時，使用含兩種組分的復合助熔劑為較好選擇，不僅可以減少單一組分的過量添加，還可以利用兩種組分間的協同作用提高助熔效率。張雷等開發了鐵系復合助熔劑，發現添加量為 6% 鐵系單助熔劑和添加量為 4% 鐵系復合助熔劑均能將煤灰 FT 降至 1350℃以下，鐵系復合助熔劑在改善煤灰 AFTs 方面具有較好穩定性。段錦等研究了鈣鎂復合助熔劑對高熔點長平煤灰 AFTs 的影響，當鈣鎂復合助熔劑(wCaO：wMgO=1)添加量為 6% 時，可將煤灰 FT 降至 1297℃，且助熔效果優于單一組分助熔劑(CaO 和 MgO)助熔效果。張子利等研究鈣鎂復合助熔劑對不同高灰熔點煤灰 AFTs 的影響，結果表明與添加單一助熔劑相比，復合助熔劑更能有效降低煤灰 AFTs。

　　王冀等研究了空氣氣氛下不同添加量及質量比鈣鐵助熔劑對煤灰熔融性及結晶行為的影響，發現空氣氣氛下 CaO 與 Fe₂O₃不存在協同助熔效果，CaO 助熔效果優于 Fe₂O₃助熔效果。SHI et al 研究表明，單一鈣鐵助熔劑對煤灰熔融性和結晶行為的影響較為單一，在弱還原氣氛中使用鈣鐵復合助熔劑不僅可以減少單一組分的過量添加，還可以利用兩種組分間的協同作用提高助熔效率。另外，GE et al 分別研究了氣流床氣化條件下 CaO 與 Fe₂O₃質量比和 CaO 與 Na₂O 質量比對煤灰黏溫特性的影響，發現當順暢排渣時，CaO 與 Na₂O 最適宜的質量比為 6∶4;隨著 CaO 與 Fe₂O₃質量比的增加，由于 Fe₂O₃含量和鐵價態的變化，煤灰 AFTs 增加，同時 CaO 與 Fe₂O₃質量比較低時促進了莫來石的生成，提高了煤灰 AFTs。

　　我國化工行業規模巨大，生產過程中產生大量的工業固廢。工業固廢目前主要以堆放或填埋方式進行處理，但這些處理方法不僅占用土地資源，且有毒有害金屬的滲濾液對土壤和水體造成嚴重污染。工業固廢整體面臨著產量巨大、利用率低等問題，且存在安全隱患風險高、綜合利用成本較高和政府配套政策不完善等問題。其中鋼渣、赤泥、磷石膏、脫硫石膏、電石渣、化工渣等工業固廢的利用率更低。鋼渣的主要成分為硅酸鹽、氧化鐵、鈣質等，赤泥是制鋁工業提取氧化鋁時排出的工業廢棄物，因其氧化鐵含量大，外觀與赤色泥土相似，故被稱為赤泥，其主要化學成分為氧化鈣、氧化鋁、氧化鐵、氧化硅和堿金屬氧化物。由于鋼渣和赤泥中堿性組分氧化鐵(Fe₂O₃)和氧化鈣(CaO)的含量較高，因此可將鋼渣與赤泥進行混合用作氣流床煤氣化中的復合助熔劑。這不僅能夠達到降低高灰熔點煤灰 AFTs 的目的，而且能夠實現工業固廢的資源化利用，解決煤氣化中助熔劑成本高的問題。

　　本研究以工業固廢用作助熔劑降低高灰熔點煤灰的 AFTs 為研究背景，利用工業固廢鋼渣和赤泥制備復合助熔劑，研究了不同添加量及混合質量比復合助熔劑對山西高灰熔點潞安煤灰熔融特性的影響及機理。利用 X 射線衍射(XRD)和掃描電鏡能譜(SEM-EDS)分析了添加復合助熔劑對高溫下潞安煤灰礦物組成、微觀形貌和化學組成的影響。研究結果不僅可為工業固廢用于氣流床煤氣化中高灰熔點煤灰熔融性的調控提供直接指導和參考，而且對實現工業固廢的資源化利用具有重要意義。

　　1 實驗部分

　　1.1 實驗原料

　　選取山西高灰熔點潞安煤(LA)和工業固廢鋼渣(GZ)、赤泥(CN)為原料，按照 GB/T 1574—2007 方法在(815±10)℃下制取潞安煤灰樣，并將灰樣研磨至粒徑小于 0.074 mm。依據 GB/T 31391—2015，對高灰熔點潞安煤做工業分析和元素分析。通過 X 熒光光譜儀(XRF)和煤灰熔融特征溫度測定儀測定潞安煤灰、鋼渣和赤泥的化學組成和潞安煤灰的 AFTs。

　　1.2 混合煤灰 AFTs 的測定

　　將鋼渣和赤泥混合獲得復合助熔劑，按照鋼渣與赤泥混合質量比，將復合助熔劑分別標記為 0G10C(鋼渣質量分數為 0%，赤泥質量分數為 100%)，1G9C(鋼渣質量分數為 10%，赤泥質量分數為 90%，其余依此類推)，3G7C，5G5C，7G3C，9G1C 和 10G0C。按煤的質量為添加基準，向潞安煤中加入添加量分別為 2%，4%，6% 和 8% 的復合助熔劑，利用球型研磨儀將潞安煤與復合助熔劑充分混勻，并在 815℃條件下制備混合煤灰。根據 GB/T 219—2008，利用湖南長沙開元公司生產的 5E-AF4115 型智能灰熔融性測試儀，采用灰錐法在弱還原氣氛下(CO 與 CO₂體積比為 6∶4)測定潞安煤與不同添加量及混合質量比復合助熔劑混合煤灰的 AFTs，即 DT，ST，HT 和 FT。

　　1.3 高溫激冷灰渣的制備

　　為了闡明高溫下添加鋼渣與赤泥復合助熔劑對高灰熔點潞安煤灰礦物質的影響，利用 1700℃真空氣氛管式爐，在弱還原性的氣氛下(CO 與 CO₂體積比為 6∶4)，制備 1300℃和 1400℃條件下潞安煤與復合助熔劑所得混合煤灰的高溫激冷灰渣。將約 1.0 g 混合煤灰裝入剛玉坩堝中，再將其置于瓷舟中，先將瓷舟推入 600℃左右低溫區預熱 20 s，再將瓷舟推入 900℃左右區域預熱 20 s，最后將瓷舟推入管式爐恒溫區停留 10 min，取出灰樣。預熱的目的是為了防止瓷舟和剛玉坩堝直接送入高溫區由于溫差太大而發生碎裂。

　　1.4 高溫激冷灰渣礦物質組成及形貌分析

　　利用德國布魯克公司生產的 D2PHASER 型 X 射線衍射儀測定高溫激冷灰渣的礦物質，衍射條件為 Cu 靶、波長為 0.15406 nm、掃描電壓為 40 kV，通過 Jade 和 Highscore 軟件對激冷灰渣進行礦物質組成分析。利用賽默飛世爾科技公司(Thermo fisher Scientific)生產的 Quattro S 型掃描電子顯微鏡結合能量色散 X 射線光譜儀對高溫激冷灰渣的形貌和元素組成進行分析。

　　1.5 熱力學計算

　　通過 FactSage 8.2 熱力學軟件計算高溫平衡態下混合煤灰的礦物質組成及固液相對含量，選取 FToxid 和 FactPS 數據庫，利用 Equilb 多組分平衡模塊計算相平衡狀態下混合煤灰的完全液相溫度、礦物質種類及含量。選擇在氣氛為弱還原氣氛(CO 與 CO₂體積比為 6∶4)，溫度為 800℃~1500℃溫度間隔為 50℃，壓力為 101325 Pa 條件下，計算 SiO₂，Al₂O₃，Fe₂O₃，CaO，Na₂O，SO₃六種組分歸一化后的含量。

　　2 結果與討論

　　2.1 復合助熔劑對高灰熔點潞安煤灰熔融性的影響

　　高灰熔點潞安煤添加添加量為 2%~8% 工業固廢鋼渣和赤泥制備的復合助熔劑后，潞安煤灰 AFTs 的變化。添加鋼渣、赤泥制備的復合助熔劑，均可使高灰熔點潞安煤灰的 AFTs 顯著降低，且隨著鋼渣含量的增大，潞安煤灰 FT 均呈現 “V” 型變化趨勢。以添加量為 4% 時為例，單獨添加赤泥后潞安煤灰 FT 為 1379℃，添加鋼渣與赤泥制備的復合助熔劑后潞安煤灰的 FT 分別為 1367℃(1G9C)，1352℃(3G7C)，1338℃(5G5C)，1330℃(7G3C)和 1338℃(9G1C)，單獨添加鋼渣后潞安煤灰的 FT 為 1347℃。同時，隨著添加量的增加，潞安煤灰 AFTs 為最低值時，復合助熔劑中赤泥含量不斷升高。添加量為 2% 時，潞安煤灰 FT 最低為 1382℃，此時復合助熔劑中鋼渣和赤泥的混合質量比為 9∶1;添加量為 4% 時，潞安煤灰 FT 最低值為 1330℃，鋼渣和赤泥的混合質量比為 7∶3;添加量為 6% 和 8% 時，潞安煤灰 FT 最低值分別為 1305℃和 1293℃，鋼渣和赤泥的混合質量比分別為 5∶5 和 3∶7。由此說明，隨著鋼渣和赤泥制備復合助熔劑添加量的增加，復合助熔劑中赤泥的添加量是影響高灰熔點潞安煤灰熔融特性的主要原因。

　　鋼渣與赤泥制備的復合助熔劑對降低潞安煤灰 AFTs 存在協同作用，且協同作用與助熔劑的添加量、鋼渣與赤泥的混合質量比密切相關，但并不是所有混合質量比及添加量條件下兩者都存在協同作用。添加量為 2% 時，僅在復合助熔劑中鋼渣與赤泥混合質量比為 9∶1 時，潞安煤灰 AFTs 均低于單獨添加鋼渣、赤泥潞安煤灰 AFTs，表明鋼渣和赤泥復合對降低潞安煤灰 AFTs 存在協同作用。但當復合助熔劑中鋼渣和赤泥的混合質量比大于 0 且小于 9 或鋼渣和赤泥的混合質量比大于 9 時，添加復合助熔劑的潞安煤灰 AFTs 低于單獨添加赤泥潞安煤灰的 AFTs、高于單獨添加鋼渣潞安煤灰的 AFTs，此時鋼渣和赤泥復合對潞安煤灰熔融性的影響不存在協同作用。

　　添加量為 4% 時，僅在鋼渣與赤泥混合質量比為 5∶5，7∶3 和 9∶1 時，添加復合助熔劑潞安煤灰 AFTs 均低于單獨添加鋼渣、赤泥潞安煤灰 AFTs，表明此時鋼渣與赤泥復合對潞安煤灰熔融性的影響存在協同作用，其他混合質量比條件下鋼渣赤泥復合對潞安煤灰熔融性不存在協同作用。當添加量為 6% 和 8% 時，在所有鋼渣與赤泥混合質量比條件下，添加復合助熔劑后潞安煤灰 AFTs 均低于單獨添加鋼渣、赤泥潞安煤灰 AFTs，表明 6% 和 8% 添加量時鋼渣和赤泥復合對潞安煤灰熔融特性的影響均存在協同作用。

　　酸堿比，即煤灰中酸性氧化物和堿性氧化物的質量比，是較為常用的煤灰熔融特性預測指數。煤灰的 AFTs 與其化學組成之間的關系可以解釋為：具有高離子勢的酸性組分易于形成聚合物，起到增加 AFTs 的作用;具有低離子勢的堿性組合物用于終止聚合物的形成，起到降低 AFTs 的作用。PRONOBIS 認為堿性煤(酸堿比小于 1)中堿性氧化物含量增加，酸堿比的降低導致煤灰熔融特征溫度呈先下降后上升趨勢。XU et al 在研究 SiO₂對山鑫堿性煤灰熔融溫度影響時也得到了類似結論。高灰熔點潞安煤加入不同混合質量比鋼渣與赤泥制備的復合助熔劑后酸堿比的改變，隨著復合助熔劑中鋼渣和赤泥混合質量比的增加，高灰熔點潞安煤灰的酸堿比呈逐漸減小趨勢，但減少值非常小，說明酸堿比的改變不能用于解釋鋼渣與赤泥制備復合助熔劑對潞安煤灰 AFTs 的影響。

　　石文舉等研究弱還原氣氛下 Ca-Fe 復合助劑對高硅鋁煤灰 AFTs 的影響，結果表明弱還原性氣氛下，當 Ca-Fe 復合助熔劑添加量為 20%，煤灰的 AFTs 隨著 CaO 與 Fe₂O₃質量比的增加呈先降低后增加趨勢，CaO 與 Fe₂O₃質量比為 1∶1 時煤灰 AFTs 最低(DT 為 1371℃，FT 為 1395℃)，添加 Ca-Fe 復合助熔劑煤灰的 AFTs 均低于單獨添加 CaO 或 Fe₂O₃煤灰的 AFTs，說明 CaO 與 Fe₂O₃之間存在協同助熔作用。鋼渣中 CaO 和 Fe₂O₃含量較高，赤泥中 Fe₂O₃和 Na₂O 含量較高，高灰熔點潞安煤在鋼渣、赤泥和復合助熔劑不同添加量時，隨著 CaO 與 Fe₂O₃質量比的增大，高灰熔點潞安煤灰 FT 呈先降低后升高趨勢，且隨著復合助熔劑添加量的增加，AFTs 最低時所對應的 CaO 與 Fe₂O₃質量比由 1.2 分別降低至 1.0、0.7 和 0.4。

　　2.2 添加復合助熔劑對高溫下潞安煤灰礦物質的影響

　　煤灰的熔融過程伴隨著礦物質的反應和熔融，利用 X 射線衍射儀對高灰熔點潞安煤添加 2%~8% 復合助熔劑的混合煤灰高溫激冷灰渣進行礦物質組成分析。

　　向高灰熔點潞安煤添加 2% 復合助熔劑的混合煤灰在 1400℃時的 XRD 譜，當復合助熔劑中鋼渣含量不斷增加時，激冷灰渣的主要礦物質相同，為硅線石(Al₂SiO₅)和莫來石(Al₆Si₂O₁₃)XRD 譜可用于礦物質的半定量分析，該方法假設相同礦物質的衍射峰強度與其含量成正比，同種礦物質的衍射峰強度越高，代表其含量越高。隨著鋼渣含量的增大，硅線石的衍射峰強度減弱，硅線石含量下降。由于莫來石和硅線石的熔點高，隨著復合助熔劑中鋼渣含量的不斷增加，莫來石和硅線石的衍射峰強度不斷減小，兩種礦物質的含量不斷降低。當復合助熔劑中鋼渣和赤泥的混合質量比為 9∶1 時，硅線石和莫來石的衍射峰強度最低，硅線石和莫來石的含量最低，因此混合煤灰 AFTs 最低。然而，當單獨添加鋼渣(10G0C)時，硅線石的衍射峰強度減弱，莫來石衍射峰強度增強，且莫來石的衍射峰強度大于硅線石的衍射峰強度，使得混合煤灰 AFTs 升高。

　　向高灰熔點潞安煤添加 4% 復合助熔劑的混合煤灰在 1300℃時的 XRD 譜，當單獨添加赤泥(0G10C)時，激冷灰渣中主要礦物質為培長石((Ca, Na) AlSi₂O₈)、剛玉(Al₂O₃)、赤鐵礦(Fe₂O₃)和莫來石，培長石是由鈉長石(NaAlSi₃O₈)和鈣長石(CaAl₂Si₂O₈)組成的類質同象系列。當復合助熔劑中鋼渣和赤泥的混合質量比為 1∶9 時，培長石和赤鐵礦的衍射峰消失，鈉長石和磁鐵礦(Fe₃O₄)的衍射峰出現，混合煤灰 AFTs 降低。當鋼渣和赤泥混合質量比為 3∶7 時，磁鐵礦的衍射峰消失，鈉長石的衍射峰強度增強，鈉長石的含量增加。由于鈉長石為易熔礦物質，熔融溫度較低，使混合煤灰 AFTs 繼續降低。當復合助熔劑中鋼渣和赤泥混合質量比為 5∶5 時，鈉長石、莫來石和剛玉的衍射峰消失，鈣長石、斜硅石((Mg, Fe)₉(SiO₄)₄(F, OH)₂)、方石英(SiO₂)和方鈣石(CaO)的衍射峰出現，低熔點化合物間易形成低溫共熔化合物，使得混合煤灰 AFTs 逐漸降低。當復合助熔劑中鋼渣和赤泥混合質量比為 7∶3 時，斜硅石的衍射峰消失，鐵尖晶石(FeAl₂O₄)的衍射峰出現。

　　由于鐵尖晶石的熔融溫度較低，使得混合煤灰 AFTs 繼續降低。當鋼渣和赤泥的混合質量比為 9∶1 時，鈣長石和方石英的衍射峰強度增強且出現鈣鐵鋁石(Ca₂AlFeO₅)的衍射峰，混合煤灰 AFTs 升高。當單獨添加鋼渣(10G0C)時，方鈣石的衍射峰強度增強且出現了游離的 CaO，其余礦物質的衍射峰強度基本沒有變化，導致混合煤灰 AFTs 升高。

　　向高灰熔點潞安煤添加 6% 復合助熔劑的混合煤灰在 1300℃時的 XRD 譜，當單獨添加赤泥(0G10C)時，激冷灰渣中主要礦物質為鈉長石、剛玉、方石英和鐵尖晶石?；旌厦夯?AFTs 顯著降低，主要是由于鈉長石與鐵尖晶石等鈉質礦物之間在低溫下發生熔融。當鋼渣和赤泥的混合質量比為 1∶9 時，激冷灰渣中主要礦物質未發生改變，但鈉長石的衍射峰強度略微增加，此時混合煤灰 AFTs 略微降低。當鋼渣和赤泥的混合質量比為 3∶7 時，剛玉的衍射峰消失，鈣長石的衍射峰出現，鈉長石的衍射峰強度減弱。由于剛玉的熔點為 2050℃，激冷渣中長石類低熔點化合物間易形成低溫共熔化合物，使混合煤灰 AFTs 大幅度降低。

　　當鋼渣和赤泥的混合質量比為 5∶5 時，激冷灰渣中主要礦物質未發生改變，但鈉長石的衍射峰強度增強，混合煤灰 AFTs 繼續降低。當鋼渣和赤泥的混合質量比為 7∶3 時，激冷灰渣中主要礦物質未發生改變，鈣長石的衍射峰強度增強，鈉長石的衍射峰強度降低。由于鈉長石的熔點低于鈣長石的熔點，使得混合煤灰 AFTs 升高。當鋼渣和赤泥的混合質量比為 9∶1 時，鈣長石的衍射峰強度增強，鈉長石的衍射峰消失，混合煤灰 AFTs 升高。當單獨添加鋼渣(10G0C)時，藍晶石(Al₂SiO₅)和方鈣石的衍射峰出現，藍晶石與硅線石為同質異體，方鈣石的熔點較高，因此混合煤灰 AFTs 繼續升高。

　　向高灰熔點潞安煤添加 8% 復合助熔劑的混合煤灰在 1300℃時的 XRD 譜，當單獨添加赤泥(0G10C)時，激冷灰渣中主要礦物質為剛玉和鐵尖晶石，灰渣中低熔點化合物間形成低溫共熔化合物，使混合煤灰 AFTs 大幅度降低。當鋼渣和赤泥的混合質量比為 1∶9 時，培長石的衍射峰出現，培長石是由鈉長石和鈣長石組成的類質同象系列，使得混合煤灰 AFTs 降低。當鋼渣和赤泥的混合質量比為 3∶7 時，培長石和剛玉的衍射峰消失，鈉長石和方石英的衍射峰出現。由于鈉長石熔點較低，因此混合煤灰的 AFTs 繼續降低。當鋼渣和赤泥的混合質量比為 5∶5 時，鈉長石的衍射峰消失，鈣長石和方鈣石的衍射峰出現。由于鈣長石的衍射峰強度較高，且其熔點高于鈉長石熔點，使得混合煤灰 AFTs 升高。當鋼渣和赤泥的混合質量比為 7∶3 時，鈣鋁黃長石的衍射峰出現。與鈣長石相比，鈣鋁黃長石的熔點(1590℃)較高，使得混合煤灰 AFTs 升高。當鋼渣和赤泥的混合質量比超過 7∶3 時，高熔點礦物質硅灰石(1540℃)的生成是導致混合煤灰 AFTs 升高的主要原因。

　　2.3 激冷灰渣的微觀形貌及微區化學組成分析

　　相同溫度條件下表面形貌的差異可以反映煤灰的熔融程度，高灰熔點潞安煤添加添加量為 6% 的不同混合質量比復合助熔劑的激冷灰渣在 1300℃時的 SEM 照片。添加 6% 復合助熔劑及鋼渣和赤泥不同混合質量比下灰渣的 EDS(energy dispersive spectroscopy)分析結果，添加復合助熔劑后，灰渣表面出現許多邊緣均勻的小坑，高溫下灰渣中生成的氣體向外逸出形成氣泡，氣體的釋放可能受到富鐵渣的限制。當未添加鋼渣時，灰渣中出現緊密、片狀的顆粒，EDS 分析表明顆粒中主要的元素為 Na、Al、Si、Fe、O，表明該區域主要有鐵質和鈉質硅酸鹽或者鐵質和鈉質硅鋁酸鹽。

　　隨著鋼渣和赤泥混合質量比的增大，灰渣表面逐漸由光滑變得粗糙，表面凹坑形狀變小及數量變少，表明混合煤灰的 AFTs 先降低后升高。當鋼渣和赤泥混合質量比為 5∶5 時，灰渣表面完整、光滑并出現表面光滑的顆粒，此時混合煤灰的 FT 為 1305℃，灰渣基本完全熔融，顆粒中主要的元素為 Ca、Al、Si、Fe、O，表明該區域主要有鐵和鈣質硅酸鹽或者鐵和鈣質硅鋁酸鹽。由于鈣長石和鐵質礦物發生低溫共熔形成非晶態的液相，使得灰渣表面被液相覆蓋形成一個表面較為光滑平整的整體。當鋼渣和赤泥混合質量比大于 7∶3 時，灰渣的熔融程度較低，渣樣的致密比增大，結合 XRD 分析結果可知，1300℃時鈣質礦物形成共熔體將灰渣的表面覆蓋。通過 EDS 結果分析可知，混合煤灰 AFTs 變化與鈉長石、鈣長石和尖晶石的形成及含量有關，這與 XRD 分析結果相一致。

　　2.4 煤灰高溫下礦物質組成

　　為了解釋添加不同混合質量比鋼渣和赤泥復合助熔劑對高灰熔點潞安煤灰 AFTs 的影響，通過 FactSage 軟件計算添加 6% 復合助熔劑的混合煤灰礦物質組成，兩條線之間圍成區域的面積表示礦物質的相對含量，虛線為完全液相溫度線(tₗᵢq)。當添加鋼渣和赤泥助熔劑，高溫下煤灰中生成了莫來石、尖晶石、石英、堇青石(Fe₂Al₄Si₅O₁₈)和長石等。1150℃左右，灰渣中尖晶石、單斜輝石、方英石和堇青石消失。1300℃下，煤灰中主要礦物質為大量的長石和少量的莫來石。

　　添加鋼渣和赤泥制備的復合助熔劑，隨著鋼渣與赤泥混合質量比逐漸增大，復合助熔劑中方鈣石、赤鐵礦和氧化鈉等與煤灰中硅鋁礦物質發生反應形成低熔點礦物質，降低了莫來石等難熔礦物質的相對含量，但煤灰的完全液相溫度基本未發生改變。隨著鋼渣與赤泥混合質量比繼續增大，煤灰中尖晶石和莫來石的相對含量降低，長石的相對含量增加。高溫下含 Fe 礦物質主要為 FeS、FeAl₂O₄和堇青石，表明復合助熔劑中 Fe₂O₃與煤灰中鋁硅酸鹽發生反應。XRD 分析中沒有檢測到堇青石，是由于其與鐵尖晶石快速熔融形成液相。當鋼渣與赤泥混合質量比大于 5∶5 時，煤灰中方石英相對含量增大，低熔點礦物質的含量降低，導致游離方鈣石的存在，使得潞安煤灰 AFTs 上升。

　　2.5 復合助熔劑添加量與潞安煤灰 AFTs 的定量關系

　　與單一組分助熔劑的化學組成不同，工業固廢鋼渣和赤泥的化學組成復雜，添加鋼渣與赤泥制備復合助熔劑后，高灰熔點潞安煤灰的化學組成變化復雜，無法獲得混合煤灰 AFTs 與某一個化學組成之間的定量關系。本研究將潞安煤灰的 FT 與鋼渣在復合助熔劑中的質量分數進行關聯。

　　隨著鋼渣質量分數的增大，高灰熔點潞安煤灰的 FT 呈先降低后升高趨勢，當添加 2%~6% 復合助熔劑時，R² 均大于 0.93，表明擬合曲線的相關性較強;添加 8% 復合助熔劑時，R² 為 0.7865，低于添加量為 2%，4% 和 6% 時的 R²，這主要是由于潞安煤灰 FT 測定的實驗誤差所致。不同添加量條件下，高灰熔點潞安煤灰 FT 與復合助熔劑中鋼渣質量分數的定量關系可為潞安煤添加鋼渣與赤泥復合助熔劑調控煤灰的熔融特性提供參考與依據。

　　3 結論

　　添加鋼渣、赤泥以及鋼渣與赤泥制備的復合助劑，均能降低潞安煤灰的熔融特征溫度。復合助劑添加量為 2%~8% 時，隨著鋼渣與赤泥混合質量比的增加，高灰熔點潞安煤灰的熔融特征溫度呈現 “V” 型變化，且隨著添加量增加，煤灰熔融特征溫度最低時復合助熔劑中鋼渣的含量減小。添加量為 2%、鋼渣和赤泥的混合質量比為 9∶1 時，潞安煤灰 FT 最低為 1382℃;添加量為 4%、鋼渣和赤泥的混合質量比為 7∶3 時，潞安煤灰 FT 最低為 1330℃;添加量為 6% 和 8%、鋼渣和赤泥的混合質量比為 5∶5 和 3∶7 時，潞安煤灰 FT 最低值分別為 1305℃和 1293℃。

　　復合助熔劑添加量為 2%~8% 條件下，鋼渣與赤泥對降低潞安煤灰熔融特征溫度具有協同作用，而且協同作用與添加量、鋼渣與赤泥的混合質量比密切相關。添加量為 2% 與混合質量比為 9∶1、添加量 4% 與混合質量比大于 5∶5、添加量 6% 和 8% 與所有混合比條件下，添加復合助熔劑后潞安煤灰的熔融特征溫度均低于單獨添加鋼渣、赤泥后潞安煤灰的熔融特征溫度，此時鋼渣與赤泥的復合對降低潞安煤灰熔融特征溫度存在協同作用。

　　添加復合助熔劑后高灰熔點潞安煤灰高溫下礦物質組成分析表明，添加量為 2%、混合質量比為 9∶1 時，鋼渣與赤泥復合降低了煤灰中莫來石和硅線石的含量;添加量為 4%~8%，高溫下鈉長石與鈣長石、方鈣石、鈣鋁黃長石等含鈣礦物質發生低溫共熔，這是鋼渣與赤泥復合對降低潞安煤灰熔融特征溫度存在協同作用的根本原因。

　　通過擬合發現鋼渣與赤泥復合助熔劑添加量為 2%~8% 時，高灰熔點潞安煤灰的流動溫度與復合助熔劑中鋼渣的含量呈一元二次的定量關系，可為高灰熔點潞安煤添加不同含量復合助熔劑調控煤灰的熔融特性提供指導與參考。

何 鑫;孔令學;白 進;申 峻;杜安穩;李 文,太原理工大學化學與化工學院;中國科學院山西煤炭化學研究所煤炭;高效低碳利用全國重點實驗室;山西浙大新材料與化工研究院;空氣產品潞安(長治)有限公司,202501