幾種高灰熔點(diǎn)煤用于氣流床氣化性能的探討

楊 揚(yáng)

（太原煤炭氣化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原 030024）

煤氣化是煤炭清潔化利用的重要途徑之一，煤氣化作為化工原料氣的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)煤炭加工利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。太原煤氣化公司因公司發(fā)展煤化工項(xiàng)目需要，對(duì)保德（白家溝）、軒崗及龍泉等煤礦的煤質(zhì)情況進(jìn)行了調(diào)查，以了解幾個(gè)煤礦的主要煤質(zhì)及特征性能，并對(duì)其能否適用于氣流床氣化等性能指標(biāo)進(jìn)行了分析研究。

1 煤樣煤質(zhì)情況

1.1 保德（白家溝）煤礦

從初勘資料看，神東煤田保德（白家溝）煤礦，屬高灰分、高灰熔點(diǎn)煤，8?；曳仲|(zhì)量分?jǐn)?shù)（Ad%）在16.0%～17.0%，屬中等可選；13＃灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（Ad%）在12.0%～14.0%，屬中等可選。本次實(shí)驗(yàn)保德北即8＃煤，保德南即13＃煤。

1.2 軒崗礦

軒崗礦是以生產(chǎn)動(dòng)力煤為主的煤炭公司，屬寧武煤田，目前生產(chǎn)能力約750萬t／a。所采煤層主要為5＃、6＃及2＃煤。

5＃煤黏結(jié)指數(shù)（浮選后）可達(dá)83，可作為煉焦配煤，其他煤主要為高灰分、高灰熔點(diǎn)的動(dòng)力用煤。2＃煤的內(nèi)灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)14.6%。本次實(shí)驗(yàn)采用軒崗2＃、5＃煤。

1.3 龍泉煤礦

龍泉煤為高灰分、高灰熔點(diǎn)的氣煤。從目前所掌握的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)看，除少量洗精煤可作為煉焦配煤利用外，其余主要作為動(dòng)力用煤。

2 煤樣常規(guī)數(shù)據(jù)分析

幾種煤樣的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 煤樣煤質(zhì)分析

通過常規(guī)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，本次實(shí)驗(yàn)煤種灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞25%，灰熔點(diǎn)＞1 500℃，屬高灰、高灰熔點(diǎn)煤。

3 煤樣氣化性能的研究［1－3］

3.1 氣化用煤的特性要求

目前，受所用爐型限制，氣化用煤對(duì)煤質(zhì)有不同的要求。以大型氣化常規(guī)爐型看，主要以Shell氣化、水煤漿氣化為主流工藝。

3.1.1 Shell氣化

Shell氣化工藝技術(shù)較為成熟，是目前國內(nèi)化肥等化工生產(chǎn)煤氣化采用較多的爐型（國內(nèi)也有采用航天爐，原料要求基本一致），其對(duì)煤質(zhì)要求相對(duì)低、范圍廣。但為保障生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，仍對(duì)煤質(zhì)有較高要求，即，

w（水分）＜8%，w（固定碳）＞50%，w（硫）＜1%，w（灰分）≯25%，K＜6.5［k值見式（1）］，m（SiO2）／m（Al2O3）控制在1.8～2.3。

根據(jù)預(yù)期選用的煤種，并結(jié)合低成本原則，可以石灰石（碳酸鈣）形式提供CaO作為助熔劑。添加助熔劑將或多或少增加運(yùn)行成本和建設(shè)投資，但可以通過降低氣化爐操作溫度、節(jié)約氧耗和煤耗來補(bǔ)償。助熔劑的加入量，采用煤灰分中不超過25%的助熔劑比例（利用灰分中CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)定義）來設(shè)計(jì)。

總之，對(duì)于液態(tài)排渣的Shell煤氣化爐，選擇灰熔融溫度低和灰渣流動(dòng)性好的煤對(duì)生產(chǎn)有利。

3.1.2 水煤漿氣化

水煤漿是目前應(yīng)用成熟的大型煤氣化工藝技術(shù)，其主要用于高活性、低灰熔點(diǎn)、易成漿的煤炭氣化。其主要用煤特性有：

1）低內(nèi)水——內(nèi)水含量越低，越有利于制備高濃度的煤漿。內(nèi)水大于8%是不經(jīng)濟(jì)的。

2）低灰分——灰分越低，越有利于氣化。灰分小于13%能夠經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于高灰分煤種，則有待于在設(shè)備、管道、閥門材質(zhì)及結(jié)垢方面做大量的工作。

3）低灰熔點(diǎn)——選擇灰熔點(diǎn)小于1 300℃的煤質(zhì)有利于經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。

4）煤質(zhì)穩(wěn)定性——選擇化學(xué)活性高、可磨性好、灰渣特性好的煤種，是實(shí)現(xiàn)運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵。

3.2 煤樣氣化特性的分析

由于化工用煤主要是用于氣化，因此，重點(diǎn)對(duì)煤的灰熔點(diǎn)等進(jìn)行分析，以探討其可用于氣化的工藝可行性。

受各方面因素所限，目前，常規(guī)的固定床氣化一般不作為推薦的技術(shù)，而以Shell、水煤漿氣化為主要的選擇。通過常規(guī)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，5種煤的灰熔點(diǎn)都大于1 500℃，屬于高灰熔點(diǎn)煤，遠(yuǎn)高于國內(nèi)常用的氣化爐對(duì)入爐煤的灰熔點(diǎn)要求，無法直接用于氣化。

3.2.1 施特諾系數(shù)計(jì)算

灰熔點(diǎn)是氣化用煤關(guān)鍵指標(biāo)之一，是對(duì)煤灰可流動(dòng)性認(rèn)定的一項(xiàng)簡(jiǎn)單判別指標(biāo)。施特諾系數(shù)是用來簡(jiǎn)單判斷氣化用煤的較準(zhǔn)確指標(biāo)。采用施特諾系數(shù)K可對(duì)灰熔點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單判斷，其計(jì)算公式見式（1）。

以K＞5為難熔灰，所以控制K≤5。實(shí)際生產(chǎn)中一般氣化原料煤控制在K≤6.5。

按照此次采樣的分析數(shù)據(jù)，其K值計(jì)算結(jié)果為：

龍泉煤（煤化所分析數(shù)據(jù)）：

可以看出，各煤種的灰熔點(diǎn)都不滿足生產(chǎn)需要。

3.2.2 石灰石添加量的計(jì)算

從3.2計(jì)算可看出，上述幾種煤都達(dá)不到氣化基本指標(biāo)，需配加石灰石進(jìn)行調(diào)節(jié)。配加石灰石使各煤種K值達(dá)到5時(shí)的理論計(jì)算數(shù)據(jù)為：

經(jīng)計(jì)算可以看出，理論上需要配加CaO的量最少約為灰量的2%，最多約為灰量的12%。

3.2.3 添加石灰石后的灰熔點(diǎn)研究

對(duì)幾種煤進(jìn)行添加CaO后的灰熔點(diǎn)實(shí)驗(yàn)（結(jié)果見表2），添加量分別定為2%、5%、10%、20%。

表2 添加CaO后的灰熔點(diǎn)分析數(shù)據(jù)

3.3 煤樣氣化工藝的探討

根據(jù)對(duì)幾個(gè)煤礦煤質(zhì)的分析，結(jié)合化工用煤氣化爐的基本要求，可以認(rèn)定，上述幾個(gè)煤礦的煤質(zhì)不適合直接用于煤氣化生產(chǎn)。

由于幾個(gè)煤礦均為高灰熔點(diǎn)煤，所以水煤漿肯定不適應(yīng)，可以采用的氣化工藝首選是Shell氣化工藝（或航天爐）。該工藝對(duì)灰熔點(diǎn)的基本要求是不大于1 450℃。

經(jīng)計(jì)算，達(dá)到1 450℃，均需要大量配入石灰石（見表3）。分析可知，石灰石添加量最少的為5＃煤，為每100t原料煤添加2.94t石灰石。但此時(shí)煤的原始基礎(chǔ)灰分已經(jīng)達(dá)到了30%左右，這樣入爐的氣化原料灰分在40%以上，無法保障氣化爐的正常穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)性也肯定很差。

表3 添加CaO量折合成石灰石的量

Shell氣化是目前最高溫度的氣化方式，其核心要素是要保障煤氣化過程中爐灰的合理流動(dòng)。因此，為保障煤灰的正常流動(dòng)，入爐灰分的K值應(yīng)＜5.0。當(dāng)煤灰成分不滿足要求時(shí)，通過補(bǔ)加CaO進(jìn)行調(diào)節(jié)。以龍泉礦為例（根據(jù)煤質(zhì)報(bào)告提供的基礎(chǔ)灰分?jǐn)?shù)據(jù)測(cè)算），其煤灰成分均達(dá)不到K值要求，尤其是2＃煤，其K值高達(dá)11.88，要調(diào)節(jié)到＜5.0需要補(bǔ)充大量的石灰，其經(jīng)濟(jì)性顯然不合理。因此，2＃煤用于Shell氣化不具備可行性。

考慮到總體投資的可行性，龍泉井田及保德、軒崗煤將不適合直接采用Shell氣化（軒崗5＃煤灰分高且煤質(zhì)不穩(wěn)定，也不適合）。

可行的辦法是進(jìn)行配煤，配入低灰熔點(diǎn)的煤可以解決氣化難題。以龍泉礦為例，配入約30%的府谷煤可以實(shí)現(xiàn)正常的氣化。

4 結(jié)論

1）幾種高灰熔點(diǎn)煤不能直接用于Shell及水煤漿氣化。

2）實(shí)驗(yàn)用煤在直接添加石灰石后不宜用于氣化。

3）配加低灰熔點(diǎn)府谷煤是可行的氣化方法，但仍需要進(jìn)行氣化可行性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析，主要是煤的黏溫特性、黏結(jié)特性方面的測(cè)試，有待于進(jìn)一步確定其可行性。

［1］ 汪家銘.殼牌煤氣化技術(shù)在我國的應(yīng)用［J］.化肥設(shè)計(jì)，2007，45（4）：19－22.

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［3］ 趙勇平，鄭寶祥.德士古煤氣化裝置對(duì)原料煤的要求［J］.大氮肥，1999，22（3）：154－156.