煤質(zhì)分析儀器在氣化用煤技術(shù)中的應(yīng)用

田進(jìn)梅，楊會(huì)軍，楊 磊，吳 躍

(國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750411)

我國(guó)煤炭資源豐富，原煤年產(chǎn)量居世界第一位。煤炭是發(fā)電、甲醇等能源轉(zhuǎn)化工業(yè)的主要原料與燃料[1]。專家研究出在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，煤炭仍居于主導(dǎo)地位，到2050年將保持在50%左右[2]。煤根據(jù)碳化程度可分為泥炭、褐煤、煙煤、無(wú)煙煤、亞煤。其中泥炭碳化程度最低，無(wú)煙煤碳化程度最高。我國(guó)國(guó)內(nèi)具有不同碳化程度的種煤，各種煤儲(chǔ)量比例如圖1所示[3]。煤由無(wú)機(jī)物和有機(jī)物兩部分構(gòu)成，有機(jī)物主要由碳、氫、氧、氮、硫等元素組成；無(wú)機(jī)物主要是礦物質(zhì)和水，其中碳、氧、氫、氮、硫這五種元素是評(píng)價(jià)煤質(zhì)好壞的關(guān)鍵指標(biāo)[4]。煤質(zhì)變化波動(dòng)較大對(duì)氣化系統(tǒng)影響主要有下渣口結(jié)渣、氣化爐內(nèi)積渣；加重激冷水系統(tǒng)結(jié)垢、堵塞，合成氣洗滌系統(tǒng)堵塞等問題[5]。

圖1 全國(guó)煤種類的儲(chǔ)存量占比Fig.1 The proportion of national coal types in storage capacity

本文評(píng)述了煤質(zhì)分析重要儀器及對(duì)煤質(zhì)分析的技術(shù)特點(diǎn)，包括全自動(dòng)工業(yè)分析儀、智能馬弗爐、灰熔融性測(cè)試儀、全自動(dòng)紅外測(cè)硫儀、XRF高頻熔樣機(jī)、XRF熒光光譜儀、高溫黏度計(jì)等設(shè)備。

1 全自動(dòng)工業(yè)分析儀的作用

煤工業(yè)分析是了解煤質(zhì)特征的主要途徑，同時(shí)也是評(píng)價(jià)煤質(zhì)的基本依據(jù)。全自動(dòng)工業(yè)分析儀操作方法簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，能一次性自動(dòng)完成對(duì)煤的水分、灰分、揮發(fā)分及固定碳含量測(cè)量。自動(dòng)稱量的方式大大減少人為等因素造成的誤差，既能縮短分析時(shí)間，又提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度以及測(cè)試效率，測(cè)量數(shù)據(jù)決定了煤樣是否應(yīng)用于煤化工氣化爐起著關(guān)鍵性的前提條件[6-8]。

在氣化水煤漿制甲醇中，對(duì)煤質(zhì)水分、灰分要求很高，如果煤質(zhì)內(nèi)在水分越高，導(dǎo)致磨煤機(jī)出口溫度降低，制粉困難，對(duì)輸煤設(shè)備容易造成因下煤不暢、而堵煤，還會(huì)對(duì)設(shè)備造成沖刷和磨損，從而增加檢修費(fèi)用，更重要的是會(huì)造成氣化水煤漿的表觀粘度增大，難于得到高濃度的合格煤漿[9]；煤中灰分指工業(yè)分析儀在達(dá)到815 ℃下完全燃燒后的殘留物，主要考量在燃燒和氣化過程中是否容易結(jié)渣影響正常操作，氣化水煤漿濃度對(duì)氣化性能影響較大，較低的水煤漿濃度會(huì)導(dǎo)致水煤漿氣化比煤耗和比氧耗偏高、氣化效率和有效氣產(chǎn)量偏低，且產(chǎn)煤量呈下降趨勢(shì)，這種狀況嚴(yán)重影響了水煤漿氣化裝置穩(wěn)定運(yùn)行，造成極大的能源和資源浪費(fèi)；揮發(fā)分是指將煤樣放在與空氣隔絕的坩堝里，在900 ℃下從煤中分解出來(lái)的液體和氣體的數(shù)量占試驗(yàn)煤量的比例，揮發(fā)分反映煤樣的變質(zhì)程度，揮發(fā)分越高，煤樣的利用率就越好；煤中固定碳含量指100%減去煤的水分、灰分、揮發(fā)分的差值。如表1所示為兩種煤兩次樣品測(cè)試結(jié)果，可以看出水分、灰分、揮發(fā)分測(cè)試數(shù)據(jù)的重復(fù)性都較好，滿足精密度和準(zhǔn)確度要求。

表1 某兩種煤樣工業(yè)分析數(shù)據(jù)表Table 1 Data sheet for industrial analysis of two kinds of coal sample

2 智能馬弗爐的作用

智能馬弗爐按照《煤的工業(yè)分析方法》GB/T212-2008的要求，其將快灰、慢灰、揮發(fā)分的升溫、控溫、檢測(cè)過程編入程序中，采用了智能儀表控制具有方便、升溫速率快、易于自動(dòng)控制、快捷等優(yōu)點(diǎn)[10-11]。一般煤樣燒制成煤灰用慢速灰化法，煤樣先在馬弗爐內(nèi)加熱至500 ℃,恒溫30 min，30 min后升溫至850 ℃，繼續(xù)恒溫30 min，最后冷卻至室溫。馬弗爐作為煤質(zhì)檢測(cè)中的必用設(shè)備，也是分析煤質(zhì)其它因素的前提(智能馬弗爐是煤灰熔點(diǎn)、粘溫特性等分析前處理的重要儀器，是煤質(zhì)檢測(cè)中的常用設(shè)備)。

3 灰熔融性測(cè)試儀的作用

灰熔融性測(cè)試儀主要應(yīng)用于測(cè)定煤灰的熔融特性，其包括變形溫度(DT)、軟化溫度(ST)、半球溫度(HT)和流動(dòng)溫度(FT)。此設(shè)備最大特點(diǎn)是不僅在弱還原性氣氛下測(cè)灰熔點(diǎn)，而且在氧化性氣氛也能測(cè)灰熔點(diǎn)，設(shè)定某一升溫速率開始加熱，四個(gè)特征溫度用灰錐在加熱過程中呈現(xiàn)不同的形狀辨別和判斷，通過煤灰灰熔點(diǎn)數(shù)據(jù)可以為氣化爐的操作溫度提供指導(dǎo)，以利于氣化爐順利的排渣，因而對(duì)衡量氣化用煤的高溫特征以及提高煤的有效利用都有非常重要的意義，是當(dāng)前對(duì)煤的檢測(cè)中不可或缺的重要手段[12]。如表2所示為某種煤樣在還原性氣氛下的DT、ST、HT、FT灰熔點(diǎn)，可以看出誤差在范圍之內(nèi)。

表2 某種煤樣灰熔點(diǎn)數(shù)據(jù)表Table 2 Data sheet for industrial analysis of two kinds of coal samples

4 全自動(dòng)紅外測(cè)硫儀的作用

全自動(dòng)紅外測(cè)硫儀的原理是在紅外氣體傳感器中注入硫元素燃燒的SO2，檢驗(yàn)其中的濃度可知SO2，其采用的是物理方法。其在測(cè)試煤樣的硫含量，紅外測(cè)硫儀操作簡(jiǎn)單、測(cè)試速度快、使用便捷，大大提高了儀器設(shè)備的可靠性[13-14]。煤樣中硫的含量越高，會(huì)對(duì)輸煤設(shè)備及磨煤機(jī)造成嚴(yán)重腐蝕，增加檢修費(fèi)用，降低煤的利用率。煤中硫的燃燒產(chǎn)物SO2不僅會(huì)破壞生態(tài)平衡，而且也會(huì)腐蝕鍋爐管道以及硫含量的提高會(huì)導(dǎo)致鍋爐的嚴(yán)重結(jié)渣，因此硫含量的高低指標(biāo)是評(píng)價(jià)煤質(zhì)的重要指標(biāo)之一[15]。

5 XRF熒光光譜儀的作用

首先XRF高頻熔樣機(jī)是煤灰成分分析前處理的重要設(shè)備。熔融法是將煤灰樣品(對(duì)燒制好的煤灰進(jìn)一步的處理，達(dá)到粉末狀)與偏酸性的堿性熔劑四硼酸鋰(67%+33%)混合熔劑以一定比例混合放入坩堝內(nèi)，在固定溫度下進(jìn)行熔融，這個(gè)過程需要10 min以內(nèi)在優(yōu)化好的程序下就能夠完全熔好樣品，冷卻熔融即制得玻璃狀試樣的方法，能夠有效地消除熒光分析中的礦物、顆粒效應(yīng)的影響，降低基體影響，極大提高了熒光分析的準(zhǔn)確度[16-17]。高頻熔樣機(jī)制好的樣品透明、均勻、無(wú)氣泡，達(dá)到了制樣的標(biāo)準(zhǔn)，操作簡(jiǎn)單、熔樣速率快，最重要的是對(duì)環(huán)境無(wú)污染[18]。

XRF熒光光譜儀的原理是基于測(cè)量由初級(jí)X射線激發(fā)的原子內(nèi)層殼電子產(chǎn)生的特征X射線光量子的一種儀器分析方法，尤其在工業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用[19]。煤灰樣中灰成分種類多，主要有Fe2O3、SO3、SiO2、Al2O3、CaO、MgO等元素[20]。通過XRF光譜儀來(lái)測(cè)定煤灰中酸性氧化物和堿性氧化物的含量，酸性氧化物可以提高煤灰的熔融溫度，增大煤灰高溫黏度；堿性氧化物可以降低煤灰的熔融溫度，降低煤灰高溫黏度。一般在煤種確定的條件下，可以利用煤灰成分對(duì)不同煤質(zhì)進(jìn)行配比測(cè)試煤灰灰熔點(diǎn)以及粘溫特性，以達(dá)到煤質(zhì)與氣化操作工藝相匹配的目的。如表3所示為某種煤樣的灰成分元素的含量數(shù)據(jù)。

表3 某種煤樣灰成分?jǐn)?shù)據(jù)表Table 3 Data table of ash composition of a certain coal sample

6 高溫黏度計(jì)的作用

高溫黏度計(jì)是對(duì)煤灰和熔渣樣品的黏溫特性進(jìn)行測(cè)量[21]。其原理是通過浸入被測(cè)液中的轉(zhuǎn)子的持續(xù)旋轉(zhuǎn)形成的扭矩來(lái)測(cè)量黏度值，扭矩與浸入樣品中的轉(zhuǎn)子被黏性拖拉形成的阻力成比例，因而與黏度也成比例。主要應(yīng)用于煤炭行業(yè)對(duì)煤灰熔融黏度測(cè)定有高要求的分析，是氣化技術(shù)中一個(gè)很重要的技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)。在高溫狀態(tài)下用轉(zhuǎn)子測(cè)定熔樣的黏度特性，通過計(jì)算機(jī)顯示的黏度數(shù)據(jù)對(duì)熔體的流動(dòng)情況進(jìn)行研究，需要儀器應(yīng)具有對(duì)溫度的精確控制以及對(duì)黏度精確測(cè)量等特點(diǎn)。根據(jù)黏溫曲線的特點(diǎn)，研究出熔融煤灰渣形一般分為玻璃渣、結(jié)晶渣和塑性渣三種類型。煤灰成分不同，則高溫煤灰黏溫特性曲線也不同，一般晶體渣臨界溫度對(duì)應(yīng)的黏度一般均小25 Pa·s，塑性渣在臨界溫度對(duì)應(yīng)的黏度一般為25～50 Pa·s。如圖2所示為某種煤樣黏溫特性曲線圖，通過高溫黏度計(jì)可以看出氣化爐操作溫度以及高溫下的黏度是否滿足煤化工氣化爐要求，以免造成設(shè)備掛壁影響運(yùn)行。

圖2 某種煤樣黏溫特性曲線圖Fig.2 A graph of viscosity-temperaturecharacteristics of a coal sample

7 結(jié) 語(yǔ)

以上是煤質(zhì)分析中常見的儀器，主要是對(duì)煤樣進(jìn)行水分、灰分、揮發(fā)分、灰熔點(diǎn)、灰成分、黏溫特性曲線等分析，在氣化用煤中，這幾個(gè)指標(biāo)對(duì)煤質(zhì)分析發(fā)揮了關(guān)鍵作用。煤炭作為我國(guó)工業(yè)發(fā)展的一類重要的不可再生能源，需要我們加強(qiáng)對(duì)煤質(zhì)研究的工作，在對(duì)煤的分析過程中，不斷地探索研究，以此通過煤質(zhì)分析來(lái)提高煤炭資源的利用率。