添加助熔劑降低大同石炭紀(jì)煤的高灰熔融性研究

張 景

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

中國(guó)煤炭資源豐富，高灰熔融性煤占總儲(chǔ)量的50%左右[1]。煤灰熔融溫度是氣化用煤的重要指標(biāo)之一，主要用于固定床排渣鍋爐和氣化爐的設(shè)計(jì)、選型并指導(dǎo)實(shí)際操作[2]，也可作為液態(tài)排渣爐設(shè)計(jì)中重要的參考數(shù)據(jù)，但其只能定性地說(shuō)明灰的融化溫度范圍，不能反映灰渣熔融過(guò)程中的特性。煤灰黏度特性也是氣化用煤的重要指標(biāo)，可定量地反映灰渣在熔融過(guò)程中的特性，是液態(tài)排渣氣化爐設(shè)計(jì)、選型中必不可少的指標(biāo)。

煤中礦物在加熱過(guò)程中的行為對(duì)煤灰熔融性有重要影響，不同的煤灰礦物組成燃燒后形成不同的煤灰成分。煤灰的熔融特性由煤灰中不同礦物組成及含量所決定。煤灰化學(xué)組成不同，則其礦物組成不同，煤灰的熔融特性也不同[3，4]。降低煤灰熔融溫度的方法可分為配煤和添加助熔劑，該2種方法各有優(yōu)點(diǎn)，添加助熔劑降低煤灰熔融溫度的方法適用于煤灰熔融溫度較高的情況。在4個(gè)特征溫度中，軟化溫度和流動(dòng)溫度應(yīng)用較廣，一般根據(jù)流動(dòng)溫度選擇合適的液態(tài)排渣氣化設(shè)備，或根據(jù)氣化設(shè)備類型選擇合適的原料煤[5]。

煤氣化是現(xiàn)代煤化工的龍頭技術(shù)，也是我國(guó)潔凈煤技術(shù)的重要組成部分之一。氣流床氣化由于具有碳轉(zhuǎn)化率高、煤種適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)強(qiáng)度和規(guī)模大的特點(diǎn)，已廣泛用于煤化工企業(yè)。氣流床氣化普遍采用液態(tài)排渣，該技術(shù)在高灰熔融性煤的選擇上受到一定的限制[6]，因此，液態(tài)排渣的氣流床氣化爐的操作溫度應(yīng)高于原料煤的流動(dòng)溫度，干煤粉氣流床氣化爐的操作溫度一般為1 450 ℃～1 600 ℃以上[7]，因此對(duì)于煤灰熔融溫度和煤灰黏度特性有嚴(yán)格的要求。以下結(jié)合煤的灰熔融溫度相關(guān)研究[8-20]，主要探究添加助熔劑后的大同石炭紀(jì)煤的煤灰熔融溫度和煤灰黏度特性是否符合氣流床氣化的技術(shù)要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原煤的煤質(zhì)氣化特性

研究選用煤樣為大同石炭紀(jì)煤，煤灰熔融溫度均大于1 500 ℃，煤灰黏度1 700 ℃時(shí)大于100 Pa·s，煤樣的基本煤質(zhì)特征及部分工藝性質(zhì)見(jiàn)表1～表3。從表1～表3分析結(jié)果可知:大同煤為低階氣煤，此次選用的煤樣全水含量13.8%，為中高全水分煤;固定碳含量47.47%，為低固定碳煤;揮發(fā)分39.35%，為高揮發(fā)分煤;灰分21.74%，為中灰煤;全硫含量1.22%，為中硫煤灰;熔融溫度較高，灰成分中的Al2O3高，同時(shí)其SiO2的含量超過(guò)40%，即其不能滿足氣流床氣化工藝液態(tài)排渣爐的一般要求(FT<1 450 ℃)。大同煤有黏結(jié)性，熱穩(wěn)定性差，弱結(jié)渣性，抗碎強(qiáng)度較好，1 100 ℃時(shí)煤對(duì)二氧化碳的反應(yīng)率為69.7%，反應(yīng)性較差。

表1 大同煤工業(yè)分析及元素分析 %

表2 大同煤煤灰成分 %

表3 大同煤的氣化特性 %

1.2 助熔劑的選取

降低煤灰熔融溫度的方法包括在煤中添加含有Fe2O3、CaO、MgO等堿性氧化物的助熔劑，通常選擇CaO和Fe2O3的堿性氧化物為助熔劑[8,9]。對(duì)大同煤進(jìn)行添加助熔劑CaO降低灰熔融溫度的研究，包含以CaO為主的常見(jiàn)助熔劑石灰石。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及降熔實(shí)驗(yàn)

煤灰熔融溫度測(cè)定以GB/T 219—2008為基準(zhǔn)，在弱還原性氣氛下對(duì)7個(gè)添加不同量助熔劑的大同煤樣進(jìn)行煤灰熔融特性及煤灰黏度測(cè)定,添加助熔劑以降低灰熔融溫度的方案見(jiàn)表4，再對(duì)添加后試樣煤灰熔融溫度進(jìn)行測(cè)試。表中的實(shí)際CaO添加量由石灰石添加量折算而得。

根據(jù)煤灰熔融溫度結(jié)果，繪制添加不同比例助熔劑后煤灰熔融溫度的變化曲線，以使煤灰熔融變形溫度(FT)降低至約1 450 ℃時(shí)為合理的助熔劑添加量，得出最終的大同煤的助熔劑添加最適宜比例。然后對(duì)該最佳添加比例的助熔劑在弱還原性氣氛下進(jìn)行煤灰高溫黏度特性測(cè)定，以評(píng)判添加助熔劑后煤灰的流動(dòng)性。

表4 降低大同煤灰熔融溫度的石灰石及實(shí)際CaO添加量

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 助熔劑對(duì)煤灰熔融性的影響

大同煤樣的石灰石添加量與其流動(dòng)溫度(FT)關(guān)系如圖1所示。

圖1 大同煤樣的石灰石添加量與其流動(dòng)溫度(FT)關(guān)系

由圖1可見(jiàn)，當(dāng)石灰石的添加量小于8%時(shí)，降低灰熔融溫度的趨勢(shì)不明顯;當(dāng)石灰石的添加量為8%～10%時(shí)，降低灰熔融溫度的趨勢(shì)明顯;當(dāng)石灰石的添加量大于10%時(shí)，降低灰熔融溫度的趨勢(shì)不明顯。為滿足干煤粉氣化爐液態(tài)排渣，原料煤的石灰石添加量應(yīng)略高于8%。為確保添加助熔劑后的大同煤能滿足干煤粉氣化爐液態(tài)排渣要求，適宜的石灰石的添加量應(yīng)為10%。

2.2 灰中氧化鈣含量對(duì)煤灰熔融性的影響

灰中氧化鈣的添加量與流動(dòng)溫度(FT)關(guān)系如圖2所示。

圖2 灰中氧化鈣添加量與流動(dòng)溫度(FT)關(guān)系

由圖2可見(jiàn)，當(dāng)大同煤灰中CaO含量增加至9%～20.73%時(shí)，流動(dòng)溫度(FT)變化趨勢(shì)不明顯;當(dāng)煤灰中CaO含量增大至20.73%時(shí)，F(xiàn)T溫度變化趨勢(shì)明顯;當(dāng)煤灰中CaO大于23.98%時(shí)，F(xiàn)T溫度變化趨勢(shì)緩慢;當(dāng)煤灰中的CaO為23.98%，煤的流動(dòng)溫度(FT)為1 410 ℃，因此大同煤添加石灰石的適宜比例應(yīng)為10%。

2.3 助熔劑對(duì)煤灰黏度的影響

石灰石添加量為10%時(shí)大同煤的煤灰黏溫特性變化如圖3所示。

圖3 石灰石添加量為10%時(shí)大同煤的煤灰黏溫特性變化

由圖1和圖2試驗(yàn)結(jié)果得出適宜的石灰石添加量為10%。由圖3可見(jiàn)，添加石灰石后的大同煤煤灰黏溫特性有明顯的改善，當(dāng)溫度為1 540 ℃時(shí)其黏度為25 Pa·s，當(dāng)溫度為1 590 ℃時(shí)其黏度為2 Pa·s，因此，當(dāng)石灰石添加量為10%、溫度大于1 540 ℃時(shí)煤灰具有很好的流動(dòng)性，滿足氣流床氣化的技術(shù)要求。

3 結(jié) 論

(1)大同煤原煤屬于高灰熔融溫度的低階煙煤，滿足固定床固態(tài)排渣氣化爐及流化床氣化爐，不滿足氣流床液態(tài)排渣氣化爐的技術(shù)要求。但通過(guò)添加助熔劑CaO可降低大同煤的灰熔融溫度，可滿足氣流床液態(tài)排渣氣化爐的技術(shù)要求。

(2)煤中灰成分對(duì)煤灰熔融性溫度有很大影響。隨著助熔劑CaO添加量的增加，大同煤的煤灰熔融性溫度不斷降低。當(dāng)助熔劑石灰石添加量為10%時(shí)，隨著助熔劑的量增加，灰熔融溫度變化不大，因而助熔劑添加量10%時(shí)最為適宜。

(3)助熔劑CaO對(duì)煤灰黏溫特性有很大影響。當(dāng)石灰石添加量為10%時(shí)，隨著溫度提高，煤灰的黏度不斷降低；當(dāng)爐內(nèi)溫度為1 540 ℃時(shí)，黏度降低至25 Pa·s后，煤灰具有很好的流動(dòng)性，可滿足氣流床的技術(shù)要求。