“三高”煤用于航天爐加壓煤氣化降低灰熔點的研究

樊廣燕 ， 王國奪 ， 蔡云云 ， 劉澤龐 ， 朱麗萍

(河南晉開化工投資控股集團有限責任公司 ， 河南 開封 475003)

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“三高”煤用于航天爐加壓煤氣化降低灰熔點的研究

樊廣燕 ， 王國奪 ， 蔡云云 ， 劉澤龐 ， 朱麗萍

(河南晉開化工投資控股集團有限責任公司 ， 河南 開封 475003)

大型煤氣化技術(shù)是煤炭清潔利用、高效轉(zhuǎn)化的核心技術(shù)，經(jīng)濟、高效、穩(wěn)定的煤氣化技術(shù)對煤化工企業(yè)的生產(chǎn)、發(fā)展至關(guān)重要。通過對晉城“三高”煤(高硫、高灰、高灰熔點)的煤質(zhì)特性進行分析，采用配煤方式降低煤的高灰熔點特性，通過添加石灰石，降低灰熔點和改善黏溫特性。研究表明：添加2%的石灰石能夠滿足大型煤氣化航天爐排渣要求。

航天爐 ； “三高”煤 ； 石灰石 ； 灰熔點 ； 黏溫特性

0 引言

“三高”煤是指高硫、高灰、高灰熔點的煤炭，“三高”煤的清潔綜合利用符合國家產(chǎn)業(yè)政策，是我國煤化工發(fā)展的方向。

河南晉開化工投資控股集團有限責任公司是山西晉煤集團的控股子公司，晉煤集團擁有豐富的“三高”煤資源，據(jù)估算，“三高”煤儲量高達120億t，占總可采儲量的40%[1]。因此，發(fā)展“三高”煤的潔凈化利用具有廣闊的前景。實現(xiàn)“三高”煤的高效、潔凈化利用不但可以解決生態(tài)環(huán)境問題，還可以減少我國能源壓力，又能提升企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力。為了“三高”煤的潔凈化生產(chǎn)利用，尋求先進的、合理的煤氣化技術(shù)成為大家最關(guān)注的問題[2]。加壓氣流床氣化易于大規(guī)?；?，代表了當今氣化的發(fā)展方向[3]。航天粉煤加壓氣化技術(shù)作為氣流床氣化技術(shù)中的一種，有著技術(shù)先進、節(jié)能環(huán)保、煤種適應性廣等優(yōu)點，是“三高”煤作為原料的首選煤氣化技術(shù)。

1 大型航天爐粉煤加壓技術(shù)

大型航天爐(HT-L)粉煤加壓氣化技術(shù)是北京航天長征化學工程股份有限公司(簡稱“航天工程公司”)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的粉煤加壓氣化技術(shù)，該技術(shù)可廣泛應用于煤制合成氨、甲醇、烯烴、乙二醇、天然氣、油、氫等，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電以及多聯(lián)產(chǎn)等多個生產(chǎn)領域[4]。

HT-L粉煤氣化技術(shù)工藝原理為原料煤經(jīng)過磨煤、干燥后，用N2進行加壓輸送，將粉煤輸送到氣化爐燒嘴。干煤粉(80 ℃)、純氧氣(200 ℃)、過熱蒸汽(420 ℃)一同進入氣化爐氣化室，瞬間發(fā)生升溫、揮發(fā)分裂解、燃燒及氧化還原等物理和化學過程。生成的1 400～1 600 ℃的合成氣經(jīng)過換熱、冷卻后，出氣化爐的溫度為210～220 ℃，再經(jīng)過文丘里洗滌器增濕、洗滌，和洗滌塔進一步降溫、洗滌，產(chǎn)出溫度約204 ℃、粉塵含量<10×10-6的粗合成氣。HT-L粉煤氣化爐為航天粉煤加壓氣化裝置核心、關(guān)鍵專利設備。粉煤、氧氣、蒸汽按一定比例通過燃燒器進入氣化爐，在氣化室中進行燃燒氣化反應，生成的含有高溫熔渣的粗合成氣，一部分高溫熔渣掛在復合水冷壁上，形成穩(wěn)定的抵抗高溫的渣層，其余熔渣和粗合成氣進入激冷室。粗合成氣在激冷室中被激冷水激冷降溫，并蒸發(fā)水蒸氣到飽和，同時熔渣迅速固化，通過分離裝置實現(xiàn)合成氣、液態(tài)水、固渣的分離。合成氣通過管口輸出進入后續(xù)工段，主要成分為一氧化碳和氫氣。固渣通過排渣口進入破渣機中，并斷續(xù)排出。含有細灰的黑水通過管口進入渣水處理系統(tǒng)。

2 降低“三高”煤灰熔點的實驗研究

“三高”煤煤灰的熔融溫度 FT(流動溫度)>1 500 ℃，而粉煤氣流床氣化溫度為1 500 ℃左右，為了適應氣化爐的操作溫度，通過選用合適的助熔劑來改變煤炭灰渣的熔融特性[5]，使其煤灰的熔融溫度FT降到1 400 ℃以下，達到航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)的排渣要求。為了能夠順利排渣，氣化爐的操作溫度要高于進料煤的煤灰熔融溫度FT50～100 ℃[2]?！叭摺泵河捎谄涓呋胰埸c限制了其煤氣化應用的發(fā)展，尋找一種能夠改變煤灰熔融特性的助熔添加劑就很有必要，工業(yè)上常采用添加石灰石作為助溶劑來降低煤灰熔融溫度[6-7]。因此，選用晉城礦區(qū)趙莊礦“三高”煤作為原料煤，石灰石作為助熔劑，對灰熔點的變化進行研究。晉城礦區(qū)趙莊礦“三高”煤的煤質(zhì)分析結(jié)果見表1，趙莊3#煤樣灰成分見表2。

表1 趙莊“三高”煤的煤質(zhì)分析

注：DT，變形溫度；ST，軟化溫度；HT，半球溫度；FT，流動溫度。

表2 趙莊3#煤樣灰成分表

從表1、2可以看出，晉煤集團趙莊煤的固定碳含量高，水分和揮發(fā)分很低，灰分略高，煤的發(fā)熱量也較高，可磨性較好，但是煤灰熔點較高，流動溫度大于1 511 ℃，熔渣的黏度較大，且臨界溫度很高，約為1 610 ℃，這是由于煤灰主要組成為氧化硅和氧化鋁，兩者總和約85%，氧化鈣和氧化鐵含量較低，總和約為8%，若將其煤用于航天粉煤加壓氣化爐，需要通過添加助溶劑的方法降低其灰熔點，以滿足航天爐的需要。

2.1 實驗儀器設備

KER-100A制樣機、101-2EBS干燥箱、KER-1箱式高溫爐、FA2004N天平、DTG-60同步熱分析儀、SDTGA5000工業(yè)分析儀、TQ-3碳氫元素分析儀、高溫黏度儀等。

2.2 實驗部分

煤灰熔點(煤灰熔融性)測定常用的方法是角錐法，本研究依據(jù)該方法的國家標準 GB/T 219-1996 進行測定。

3 結(jié)果與討論

3.1 助溶劑對煤灰熔融溫度的影響

選取趙莊3#煤樣品，煤樣制備使用小型制樣機磨制，經(jīng)篩分后粒度<150 μm(100目)，然后依次加入1%、2%、3%、4%石灰石(主要成分為CaCO3)，分別測定對應的灰熔點，測定結(jié)果如圖1所示。

圖1 助溶劑對煤灰熔融溫度的影響

從圖1中可以看出，加入石灰石的煤樣，其熔融溫度呈下降趨勢，這是因為CaCO3在一定溫度下受熱分解，增加了煤樣中的CaO含量。而CaO與灰樣中的SiO2反應生成低溫共熔物(硅酸鹽)，從而降低了煤灰熔融特性的溫度[8]。但是當助溶劑的量增加到4%時，游離于低溫共熔物外的CaO作為氧化劑，在破壞硅聚合物的同時，又形成了高熔點的硅酸鈣(CaSiO3)、假硅灰石(CaO·2SiO2)等，致使體系熔融溫度上升[9]。

3.2 助溶劑對煤灰渣黏溫特性的影響

考察趙莊原煤與添加3%石灰石的趙莊原煤后的灰渣黏溫特性，見圖2。

圖2 助溶劑對趙莊3#煤的灰渣黏溫曲線圖

從圖2可看出，趙莊原煤灰渣屬于結(jié)晶渣，其臨界溫度為1 610 ℃，所對應的臨界黏度為35 Pa·s，隨著溫度的降低，熔渣黏度迅速增大，且趨勢很陡，不可能滿足液態(tài)排渣的要求。當在趙莊原煤中添加3%的石灰石時，灰渣呈塑性渣，整體黏溫曲線向左

(低溫區(qū))偏移，其臨界溫度下降至1 450 ℃，所對應的臨界黏度為25Pa·s，黏度趨勢變緩。隨著溫度的升高，黏度下降，滿足航天爐排渣要求。

4 結(jié)論

通過對晉煤集團趙莊礦3#原煤灰熔點的研究，確定添加3%的助熔劑，提高煤灰中的氧化鈣含量，使其溫度降到1 450 ℃以下，黏溫曲線呈現(xiàn)塑性渣特點，黏度趨勢變緩，臨界黏度溫度降低，因此添加3%的石灰石滿足航天爐排渣要求。

[1] 王 毅.晉城礦區(qū)“三高”劣質(zhì)煤資源開發(fā)與利用探討[J].煤化工,2011,5:1-4.

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[3] 禇曉亮,苗 陽,付玉玲,等.氣流床氣化技術(shù)在我國的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].化工技術(shù)與開發(fā),2013,12(49): 31-34.

[4] 段立強,林汝謀,金紅光,等.整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)技術(shù)進展[J].燃氣輪機技術(shù),2000,13(1):9-17.

[5] 李寒旭,陳方林.配煤降低高灰熔融性淮南煤灰熔點的研究[J].煤炭學報,2002,2(5): 529-533.

[6] 王 洋,吳晉滬.中國高灰、高硫、高灰熔融性溫度煤的灰熔聚流化床氣化[J].煤化工,2005,(2): 3-5.

[7] 李繼炳,沈本賢,李寒旭,等.鐵基助熔劑對皖北劉橋二礦煤的灰熔融特性影響研究[J].燃料化學學報,2009,37(3):262-263.

[8] Wei Cundi,Ma Hongwen, Yang Dianfan, etal.phase Transformation for ealeined Coalmeasures Kaolinite[J].Journal of the Chinese Ce-ramic Soeiety,2005,33(1):77-81.

[9] 李 平，王慶慶，王志欣等.助溶劑對寧東煤灰熔融特性影響的研究[J].2013,20(40):86-88.

2016-07-20

樊廣燕(1987-)，女，助理工程師，從事化工生產(chǎn)與管理工作，電話：15037816943。

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