晉城 “三高”煤用作航天爐原料煤的技術(shù)研究

王國奪，樊廣燕，郭 然，丁 燕，陳 樂

（河南晉開化工投資控股集團有限責(zé)任公司，河南開封 475003）

0 引 言

晉城 “三高”煤的特點是硫含量高、灰分高、灰熔點高，通常認(rèn)為是非經(jīng)濟性資源，實現(xiàn)晉城 “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，還可緩解優(yōu)質(zhì)煤的供應(yīng)壓力，又能提升企業(yè)的經(jīng)濟效益與可持續(xù)發(fā)展能力［1］。航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)就是煤炭清潔、高效轉(zhuǎn)化的代表性技術(shù)之一。河南晉開化工投資控股集團有限責(zé)任公司2×600kt／a合成氨項目有2套航天爐粉煤加壓氣化裝置 （共4臺航天爐），設(shè)計以神木煤為原料，航天爐采用粉煤（干法）進料、液態(tài)排渣的運行方式，要求入爐煤的灰熔融性溫度在1500℃以下，而晉城 “三高”煤灰熔融性溫度高于1500℃，從而限制了其用作航天爐原料煤。為節(jié)約生產(chǎn)成本、拓展航天爐對其他煤種的適應(yīng)性 （適應(yīng)航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)液態(tài)排渣的需求），摸清晉城 “三高”煤對航天爐工況的影響因素和程度，我們開展了晉城 “三高”煤用作航天爐原料煤的技術(shù)研究。工業(yè)上常采用添加助熔劑來降低煤灰熔融性溫度［2］，以下對我公司開展的晉城 “三高”煤添加石灰石助熔劑的試驗研究情況進行介紹與總結(jié)。

1 試驗部分

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

（2）煤種及助熔劑選擇：以晉城礦區(qū)趙莊礦 “三高”煤 （簡稱趙莊煤）和成莊礦 “三高”煤 （簡稱成莊煤）作為試驗煤樣，助熔劑選用石灰石。

（3）煤樣的制備：煤樣使用小型制樣機磨制，經(jīng)篩分后粒度小于100目，然后分別將質(zhì)量比為0%、1%、2%、3%、4%、5%的石灰石加入到趙莊煤和成莊煤煤樣中，混合均勻，制得添加有石灰石助熔劑的煤樣。

（4）煤灰熔融性測定：常用的方法是角錐法，本研究依據(jù)角錐法 ［遵循 《煤灰熔融性的測定方法》（GB／T219—1996）］進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤質(zhì)分析

選用晉城礦區(qū)趙莊煤和成莊煤作為原料煤，以石灰石作為助熔劑，對煤灰熔融性溫度的變化情況進行研究。其煤質(zhì)分析結(jié)果見表1，煤樣灰成分分析見表2，煤灰熔融性溫度見表3?？梢钥闯觯黑w莊煤和成莊煤為中等固定碳、水分和揮發(fā)分很低、灰分較高的無煙煤；煤灰的主要成分為SiO2和 Al2O3（合計占比約85%），CaO和Fe2O3含量較低 （合計占比約8%），因此煤灰熔融性溫度較高，流動溫度 （FT）高于1510℃，熔渣的粘度較大；按照 《煤灰流動溫度 （FT）分級》（MT／T853.2—2000）劃分，趙莊煤和成莊煤煤灰都屬于高流動溫度灰，不適應(yīng)航天爐液態(tài)排渣的需求。

表1 趙莊煤與成莊煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù) %

表2 趙莊煤與成莊煤灰成分分析數(shù)據(jù) %

表3 趙莊煤與成莊煤灰熔融性溫度 ℃

2.2 助熔劑對煤灰熔融性溫度的影響

煤樣在添加不同比例的石灰石后，煤樣中石灰石的添加量 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）與煤灰流動溫度（FT）的關(guān)系如圖1所示。

圖1 助熔劑 （石灰石）對煤灰熔融性溫度的影響

由圖1可以看出：煤灰流動溫度 （FT）隨著石灰石添加量的增加先降低后升高；當(dāng)石灰石添加量≤3%時，其FT呈下降趨勢，趙莊煤和成莊煤的FT分別降至1361℃和1373℃，這是由于石灰石在一定溫度下受熱分解，增加了煤樣中的CaO含量，CaO又與煤灰中的SiO2反應(yīng)生成低溫共熔物硅酸鹽，從而有效降低了煤灰熔融性溫度［3］；當(dāng)石灰石添加量＞3%時，其FT反而上升，這是因為當(dāng)煤灰中CaO含量過高時，易形成高熔點的硅酸鈣 （CaSiO3）、假硅灰石（CaO·2SiO2）等，致使體系熔融溫度上升［4］。

2.3 助熔劑對煤灰渣粘溫特性的影響

考察趙莊煤、成莊煤及其添加3%石灰石后的灰渣粘溫特性，分別見圖2、圖3。

圖2 助熔劑對趙莊煤灰渣粘溫特性的影響

圖3 助熔劑對成莊煤灰渣粘溫特性的影響

由圖2、圖3可以看出：趙莊煤和成莊煤熔渣屬于結(jié)晶渣，其臨界溫度分別為1610℃和1627℃，所對應(yīng)的臨界粘度分別為35Pa·s和30Pa·s，爐溫低于熔渣臨界溫度時，熔渣粘度迅速增大，不可能滿足航天爐液態(tài)排渣的要求；但當(dāng)在趙莊煤和成莊煤中添加3%的石灰石后，灰渣變?yōu)樗苄栽?，整體粘溫曲線向左 （低溫區(qū)）偏移，粘度變化趨勢變緩，其臨界溫度降至1450℃，所對應(yīng)的粘度為25Pa·s，爐溫高于熔渣臨界溫度后，熔渣粘度下降，可滿足航天爐液態(tài)排渣的要求。

2.4 技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)對比

分別以原設(shè)計煤種神木煤和晉城 “三高”煤為原料 （添加3%的石灰石作為助熔劑）進行航天爐粉煤加壓氣化裝置技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的測試，結(jié)果見表4?？梢钥闯觯簳x城 “三高”煤添加石灰石作為助熔劑后，其灰熔融性溫度得到有效降低，可滿足航天爐液態(tài)排渣的要求；與使用原設(shè)計煤種神木煤相比，雖然氣化裝置的工藝參數(shù)略遜，但神木煤的價格遠高于晉城 “三高”煤，從綜合經(jīng)濟效益來看，以晉城 “三高”煤為原料是有利于節(jié)約成本、提高企業(yè)經(jīng)濟效益的，并且能保持航天爐的安全、穩(wěn)定運行。

表4 航天爐氣化2種煤的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)對比

3 結(jié) 論

由于晉城礦區(qū)趙莊礦 “三高”煤和成莊礦“三高”煤煤灰熔融性溫度較高，不能滿足航天爐液態(tài)排渣的要求，通過添加一定比例的助熔劑——石灰石，可使其灰熔融性溫度降低；當(dāng)石灰石的添加量為3%時，趙莊煤和成莊煤熔渣的臨界溫度降至1450℃以下，其粘溫曲線呈現(xiàn)塑性渣的特點，可滿足航天爐液態(tài)排渣的要求，即晉城 “三高”煤通過添加適當(dāng)比例的助熔劑后可用作航天爐的氣化原料，能保證航天爐的安全、穩(wěn)定運行，不但可以節(jié)約生產(chǎn)成本、提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，還打破了氣流床煤氣化工藝受煤種限制這一說法，對氣流床煤氣化工藝煤種的選擇具有重要的借鑒意義。