新疆氣化煤灰渣特征及其對(duì)氣化爐的適應(yīng)性研究

劉 峰，喬 波，尹洪清，王振華，王 軍，路文學(xué)，呂傳磊

（兗礦水煤漿氣化及煤化工國(guó)家工程研究中心有限公司，山東 滕州277527）

新疆作為我國(guó)重要的能源基地，煤炭預(yù)測(cè)資源量達(dá)到2.19×104億t，占全國(guó)預(yù)測(cè)煤炭資源總量的40%以上，位居全國(guó)首位[1]。在煤化工領(lǐng)域，對(duì)氣化用煤的灰成分、灰熔融特性及黏溫特性有較為嚴(yán)格的要求。本文基于新疆氣化煤在氣化運(yùn)行過(guò)程中易造成爐壁超溫、耐火磚侵蝕嚴(yán)重、氣化爐堵渣結(jié)渣等現(xiàn)象，將其與山東棗莊氣化煤、陜蒙氣化煤進(jìn)行灰成分、灰熔融特性及黏溫特性分析，以期為氣化用煤的選擇提供建議。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料

新疆氣化煤、山東棗莊氣化煤（LZJM、HYJS、BHJM、WYK）、陜蒙氣化煤（JJT、YPH、ZLW）；新疆某化工廠氣化爐（A爐、B爐）爐渣，氣化爐氣化用煤為新疆氣化煤。

1.2 儀器設(shè)備

5E-AF4200智能灰熔融性測(cè)試儀（長(zhǎng)沙開(kāi)元儀器股份有限公司），RHEOTRONICⅡ煤灰高溫黏度計(jì)（美國(guó)THETA公司），S8 TIGER波長(zhǎng)色散X射線(xiàn)熒光儀（德國(guó)布魯克公司）。

2 結(jié)果與討論

2.1 煤灰成分分析

采用X射線(xiàn)熒光光譜法（熔片法）對(duì)新疆氣化煤、棗莊氣化煤、陜蒙氣化煤進(jìn)行灰成分全分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 新疆煤、棗莊煤、陜蒙煤煤灰成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

煤灰成分一般分為兩類(lèi)：酸性成分（SiO2、Al2O3、TiO2）和堿性成分（Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O）。煤灰堿酸比是堿性成分與酸性成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比，硅鋁比是SiO2與Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比。黏溫特性較好的煤灰一般堿酸比在0.3～0.8，硅鋁比在2.5左右[2]，此時(shí)渣的流動(dòng)狀態(tài)良好，容易在氣化爐中實(shí)現(xiàn)較厚的掛渣，起到保護(hù)氣化爐耐火磚的作用。

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，計(jì)算出新疆煤、棗莊煤、陜蒙煤煤灰成分堿酸比和硅鋁比，結(jié)果見(jiàn)圖1。由表1及圖1可知，新疆氣化煤煤灰堿性成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)39.17%，酸性成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)43.70%，堿酸比與其他兩種氣化煤灰相比較高，屬于典型的高堿煤。煤灰中酸性成分有增加灰渣黏度的作用，堿性成分的作用則相反；但若堿性成分過(guò)高，當(dāng)氣化爐溫度波動(dòng)時(shí)，灰渣易變?yōu)榻Y(jié)晶渣，造成下降管堵渣，影響氣化爐運(yùn)行的安全性[3-4]。

圖1 新疆煤、棗莊煤、陜蒙煤煤灰成分堿酸比和硅鋁比

綜合圖1及表1，新疆氣化煤煤灰的堿性成分高，Al2O3含量較低，硅鋁比偏大，推測(cè)其灰渣黏度較低，黏溫特性不佳，需添加適量的酸性成分來(lái)改善煤質(zhì)特性。

2.2 灰渣熔融特性分析

灰渣熔融特性用煤灰熔融性溫度表示，是氣化用煤的一項(xiàng)重要參考指標(biāo)。熔融溫度的高低取決于煤灰的組成及含量，深入研究煤灰化學(xué)成分對(duì)灰熔融性溫度的影響，對(duì)氣化爐排渣方式的選擇及擴(kuò)大適用煤種范圍具有十分重要的意義。新疆煤、WYK煤、YPH煤和ZLW煤的灰熔融特性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同煤種的灰渣熔融特性測(cè)試結(jié)果

考慮到煤的氣化效率及耐火磚的使用周期等方面，煤種最佳灰熔融性溫度范圍是1 250℃～1 300℃。圖2的測(cè)試結(jié)果顯示，與棗莊氣化煤及陜蒙氣化煤相比，新疆氣化煤的灰熔融性溫度較低。一般認(rèn)為，煤灰中酸性成分含量越高，灰熔融性溫度越高；堿性成分含量越高，灰熔融性溫度越低[5]。由于新疆氣化煤灰中鈣、鎂和鐵的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)比一般煤樣高出50%左右，其堿性成分含量較多，灰熔融性溫度較低。堿性成分在高溫下與高鉻磚相互作用，F(xiàn)eO與高鉻磚反應(yīng)生成鐵鋁尖晶石相和FeCr2O4，MgO則與高鉻磚反應(yīng)生成MgCr2O4。在耐火磚表面有大量渣存在的情況下，這些金屬相會(huì)沿著磚孔隙滲入，對(duì)耐火材料造成侵蝕。

2.3 灰渣黏溫特性分析

煤灰的黏溫特性描述煤灰在高溫下形成的熔渣黏度與溫度之間的關(guān)系。WYK煤、YPH煤、ZLW煤、新疆煤的灰渣黏溫特性見(jiàn)圖3～圖6。

圖3 WYK煤（近玻璃渣）的灰渣黏溫特性

圖4 YPH煤（結(jié)晶渣）的灰渣黏溫特性

圖5 ZLW煤（玻璃渣）的灰渣黏溫特性

圖6 新疆煤（結(jié)晶渣）的灰渣黏溫特性

灰渣類(lèi)型與灰 成分中SiO2、Al2O3及CaO、Fe2O3、MgO的組分含量有關(guān)，根據(jù)煤灰成分可以大致判斷新疆氣化煤灰渣、YPH氣化煤灰渣為結(jié)晶渣；WYK氣化煤灰渣為近玻璃渣；ZLW氣化煤灰渣為玻璃渣。

由圖6可以看出，隨溫度的降低，新疆煤灰渣黏度由低到高的上升速度較快，25 Pa·s～3 Pa·s（灰渣溫度1 289℃～1 246℃）的可操作溫度區(qū)間較窄，幾乎沒(méi)有塑性區(qū)；溫度降低至臨界溫度后，黏度梯度變大，灰渣流動(dòng)性出現(xiàn)巨大差異，從而導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)結(jié)渣，發(fā)生排渣不暢、堵塞現(xiàn)象。而棗莊WYK煤、陜蒙ZLW煤高溫黏度較好，液態(tài)排渣區(qū)間較寬，呈現(xiàn)出玻璃態(tài)或近玻璃態(tài)渣型，結(jié)合氣化裝置實(shí)際生產(chǎn)情況，應(yīng)用效果良好。

2.4 入爐煤和爐渣的灰成分對(duì)比

取氣化爐入爐煤（新疆煤經(jīng)磨煤機(jī)研磨所得）和出爐爐渣，采用X射線(xiàn)熒光光譜法（熔片法）進(jìn)行灰成分全分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 入爐煤和氣化爐爐渣灰成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

由表2可知，經(jīng)氣化爐充分燃燒后，爐渣的SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯下降，由原來(lái)的15.97%下降到0.70%，這是因?yàn)樵跉饣^(guò)程中硫元素大部分經(jīng)過(guò)燃燒進(jìn)入到合成氣中；Cr2O3含量明顯增加，爐渣中Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)是入爐煤灰的25～35倍，這表明耐火磚表面受熔融灰渣的侵蝕較為嚴(yán)重。研究顯示，渣組分中的堿金屬氧化物K2O、Na2O將顯著降低渣的熔點(diǎn)和黏度，增加對(duì)耐火材料的侵蝕與滲透；同時(shí)，K2O、Na2O在耐火材料中存在，降低了液相出現(xiàn)的溫度，從而降低了耐火材料的抗侵蝕性[6-8]。

3 結(jié)論與建議

新疆煤、山東棗莊煤、陜蒙煤3種氣化煤灰酸性成分占比均較大，堿酸比普遍都要小于1。新疆氣化煤灰堿酸比比大部分棗莊氣化煤和陜蒙氣化煤都要高出不少，屬于典型的高堿煤，需添加適量的酸性成分改善煤質(zhì)特性。另外，新疆煤灰中堿金屬氧化物含量較高，特別是鈣、鐵、鎂金屬氧化物超標(biāo)明顯，易造成新疆煤煤灰黏度較小、流動(dòng)性較強(qiáng)，使得氣化過(guò)程中在耐火材料表面結(jié)渣較為致密，對(duì)耐火材料的侵蝕較嚴(yán)重。

為滿(mǎn)足氣化爐長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，以期取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，建議進(jìn)行配煤或添加助劑研究，通過(guò)調(diào)節(jié)煤灰成分的硅鋁比和堿酸比，改善黏溫特性，增大可操作溫度區(qū)間。