多原料煤種復(fù)配成漿性研究及其技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

唐 元，李寒旭，王芳杰

（1.中國石化長城能源化工（寧夏）有限公司，寧夏 銀川 750000；2.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001；3.中國石化石油化工科學(xué)研究院，北京 100083）

1 研究背景及意義

中國占據(jù)全球最大的煤氣化市場[1]。GE水煤漿氣化技術(shù)在國內(nèi)工業(yè)化應(yīng)用早且較為廣泛，該技術(shù)將煤炭與一定量的添加劑在研磨機(jī)中水磨，獲得類似油漿的懸浮液體，然后與氧氣在加壓和高溫的氣化爐內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)制得合成氣[2]。

煤的成漿性是用煤制備水煤漿難易程度及制成的水煤漿性能優(yōu)劣程度的量度。一般來講，有應(yīng)用價值的水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)宜在60%以上，煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)每提高1個百分點，CO+H2體積分?jǐn)?shù)將增加0.5個百分點以上。對成漿性影響最顯著的煤質(zhì)因素是內(nèi)水、氧碳比、可磨性和灰分。

水煤漿的水分是指水煤漿中的全水分，包括原煤內(nèi)在水分和外在水分，當(dāng)煤漿濃度相同時，內(nèi)在水分高會減少配漿所需水量，造成水煤漿黏度高或難以獲得高濃度的水煤漿。

氧碳比直接體現(xiàn)了煤的變質(zhì)程度。變質(zhì)程度低，氧碳比高，含氧極性官能團(tuán)多，煤的親水性強(qiáng)，就會在煤表面吸附大量的水分子，從而增加煤的內(nèi)水含量[3-5]。

煤的可磨性直接反應(yīng)磨煤的難易程度，目前廣泛采用哈氏可磨性指數(shù)（HGI）來表示。HGI越高，表示煤越易磨碎。可磨性好的煤可以得到更多的微細(xì)顆粒，因而提高了堆積效率，易制得高濃度的水煤漿，一般HGI=55～65的煤種為適合高濃度化的煤種。

制漿用煤的灰分通常要求小于12%?；曳指邥斐杀?、閥、管道及噴嘴的磨損，且灰分每升高1%，可燃物質(zhì)則相應(yīng)降低1%，導(dǎo)致氣化效率降低[6]。

從經(jīng)濟(jì)運行角度來看，篩選原料煤時應(yīng)統(tǒng)籌考慮原料煤成本及煤質(zhì)特性，盡可能選擇煤中有害物質(zhì)含量少、可磨性好、灰渣特性好、產(chǎn)氣率高的煤種[7]。工程經(jīng)驗表明，煤質(zhì)是影響氣化爐穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素，也是影響水煤漿成漿性和漿體流變性的首要因素[8]。

范立明等[9-10]的研究表明，GE水煤漿氣化爐原料煤選擇原則應(yīng)以煤的“氣化性能及穩(wěn)定性能”為主，同時兼顧煤的成漿性能，并總結(jié)提出適合水煤漿加壓氣化工藝的原料煤質(zhì)量指標(biāo)為：灰分≤13%，最高內(nèi)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤8%，操作溫度下的灰渣黏度為20 Pa·s～30 Pa·s（流動溫度≤1 350℃）。蘇倩等[11]以靈武煤田清水營礦煤為對象，研究了其與神木煤和末煤配漿后的成漿性能，結(jié)果表明：清水營煤、神木煤、末煤的質(zhì)量比為50∶40∶10時，其成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)59.18%，比清水營煤單獨制漿成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)高8.27個百分點。

中國石化長城能源化工（寧夏）有限公司采用GE水煤漿氣化技術(shù)，在其自有煤礦未商業(yè)化運營以前，GE氣化爐采用內(nèi)蒙煤和陜北榆林煤進(jìn)行互配，運行狀態(tài)良好，但是上述兩種煤均為非自有煤礦的煤種，且需經(jīng)過長途運輸，不能有效保證原料煤種的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)。因此，該公司希望選用價格較低的自有煤礦煤種A作為主力煤種，提高經(jīng)濟(jì)效益，但煤種A高鈉、高鈣、低硅鋁比、成漿濃度低、黏度高，不適宜單獨制漿。因此本研究的目的是通過配煤制漿，使以煤種A為主要原料的水煤漿達(dá)到GE氣化爐的入爐煤要求，即采用多原料煤種配漿技術(shù)、利用不同煤種的優(yōu)勢來有效提高難成漿煤種的制漿濃度，并對配煤制漿的氣化反應(yīng)特性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。

2 實 驗

2.1 水煤漿制備

原料煤：選用公司自有煤礦A的洗精煤A1和洗混煤A2；根據(jù)實際需求，就近篩選采集了寧夏地區(qū)煤種B、煤種C、煤種D。

采用干法制漿，將空氣干燥基原料煤分別破碎至1.400 mm～2.360 mm(8～14目）、0.425 mm～1.400 mm(14～40目）、0.075 mm～0.425 mm（40～200目）以及小于0.075 mm（200目），取煤粉共計100 g，各目數(shù)煤粉質(zhì)量比為2∶8∶30∶60，配制適合濃度的水煤漿，根據(jù)各煤內(nèi)水含量計算配漿所需添加水量。所有水煤漿配制時均添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的木質(zhì)素磺酸鈉，將煤粉和木質(zhì)素磺酸鈉倒入磨煤水中，用電動攪拌器攪拌均勻，電動攪拌器的轉(zhuǎn)速為1 400 r/min～1 500 r/min，攪拌時間為8 min。

2.2 成漿特性測定

使用國家水煤漿工程技術(shù)研究中心和成都儀器廠聯(lián)合研制的NXS-4C水煤漿黏度計測定水煤漿的表觀黏度；當(dāng)黏度大于900 mPa·s時，煤漿管線磨損很快，且極容易堵塞，基本不能夠滿足生產(chǎn)需要。根據(jù)GB/T 18856.2—2008《水煤漿試驗方法 第2部分：濃度測定》測定水煤漿的實測濃度；水煤漿的最高成漿濃度是制漿用煤在最優(yōu)條件下能夠泵送的上限臨界濃度。采用目測法測定水煤漿的流動性，根據(jù)其流動性狀分為A、B、C三個等級，每個等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：A為連續(xù)流動，B為間斷流動，C為不流動，并以“+”“-”表示更細(xì)微的差別。根據(jù)GB/T 18856.5—2008《水煤漿試驗方法 第5部分：穩(wěn)定性測定》測定水煤漿的穩(wěn)定性，將100 mL均勻的水煤漿置于100 mL量筒中，靜置72 h后，觀察量筒析出水量，析出水質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，表明水煤漿穩(wěn)定性越差，一般氣化漿8 h析水率要低于5%[12]。

2.3 反應(yīng)特性測定

使用德國NETZSCH公司的STA 449 F5型熱分析儀測定樣品的氣化反應(yīng)特性。測試條件：升溫速率15℃/min，升溫區(qū)間25℃～1 400℃，高純N2（純度99.999%）作保護(hù)氣，流量為20 mL/min，爐膛氣氛為CO2（純度99.999%）和N2（純度99.999%）的混合氣，流量均為50 mL/min。

3 煤種成漿性研究

3.1 煤質(zhì)基礎(chǔ)性質(zhì)研究

各煤種的基礎(chǔ)性質(zhì)分析結(jié)果如表1所示。由表1可知，從水分來說，煤種A1、煤種A2和煤種C屬于中水分煤，煤種B和煤種D屬于低水分煤；從灰分來說，煤種A1和煤種D屬于低灰分煤，煤種A2、煤種C和煤種B屬于中低灰分煤；從揮發(fā)分來說，以上幾個煤種均屬于中高揮發(fā)分煤；從固定碳來說，煤種A2和煤種C屬于低固定碳煤，煤種A1、煤種B和煤種D屬于中高固定碳煤。綜上，對自有煤礦來說，煤種A1性能優(yōu)于煤種A2；煤種B內(nèi)水較低、低灰、中等可磨；煤種D具有低內(nèi)水、低灰分、高固定碳含量、HGI低的特點。

表1 煤基礎(chǔ)性質(zhì)分析

各煤種的灰熔融性溫度見表2。GE氣化爐對原料煤灰流動溫度的要求是小于1 250℃，由表2可知，煤種A1可以滿足氣化爐要求；煤種A2不滿足氣化爐要求；煤種C的煤灰流動溫度在1 350℃，不能單獨用作液態(tài)排渣氣化爐的原料煤，但是可以通過與其他灰流動溫度較低的煤以一定比例互配，降低煤灰流動溫度；煤種B、煤種D的煤灰流動溫度較低，可滿足液態(tài)排渣的要求，可單獨應(yīng)用或與其他灰熔融性溫度較高的煤配合使用。

表2 各煤種的灰熔融性溫度 ℃

煤種A1和煤種A2的灰黏溫特性曲線見圖1。通常為保證液態(tài)排渣氣化爐的正常運行，要求溫度為1 250℃～1 500℃時煤灰的黏度值應(yīng)在15 Pa·s～40 Pa·s[13]。由圖1可知，煤種A1在1 250℃～1 500℃時灰的黏度值為2 Pa·s～14 Pa·s，能夠滿足氣化爐要求；煤種A2在1 250℃～1 500℃時灰的黏度值為6 Pa·s～130 Pa·s，無法滿足氣化爐液態(tài)排渣要求。

圖1 煤種A1、A2的灰黏溫特性曲線

3.2 單種煤成漿特性研究

對煤樣分別進(jìn)行單種煤成漿特性分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知，煤種B、D的成漿性相對煤種A和C較好，表1分析可知煤種B、D性質(zhì)極為相似，因此煤種B與D的最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)也很接近，均為63%，且基本為硬沉淀；煤種C的最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%，穩(wěn)定性相對較好；煤種A的成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，僅為58%，且穩(wěn)定性差。

3.3 多元配煤成漿特性研究

3.3.1 二元配煤成漿性研究

基于自有煤種A1、備選煤種B及煤種C的性質(zhì)，分別開展煤種B、煤種C與煤種A1摻配制漿研究。煤種A1二元配煤成漿特性如表4所示。

表4 煤種A1二元配煤成漿特性

由表4可知，煤種A1單煤成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為58%，且穩(wěn)定性差；煤種A1與煤種B配煤質(zhì)量比分別為8∶2、7∶3、6∶4、5∶5時，均能夠?qū)⑺簼{質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到60%，且質(zhì)量比為5∶5時水煤漿黏度最低；但煤種A1與煤種C配煤時基本沒有提高成漿濃度，在煤種A1與煤種C質(zhì)量比為5∶5時，最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為59%。

3.3.2 三元配煤成漿特性研究

因為煤種A1與煤種A2性質(zhì)不同，其不同配比對成漿性影響也不同，可視為二元互配，再與煤種B進(jìn)行互配，稱為三元配煤成漿。煤種A1-煤種A2-煤種B三元配煤成漿特性實驗結(jié)果如表5所示。

表5 煤種A1-煤種A2-煤種B三元配煤成漿特性

由表5可知，在固定煤種A1質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、煤種B質(zhì)量分?jǐn)?shù)由30%增加至50%、煤種A2質(zhì)量分?jǐn)?shù)則由30%減少至10%時，第二組實驗配煤的水煤漿性能最優(yōu)，其成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到64.04%；在固定煤種A1質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時，隨著煤種A2的占比增加和煤種B的占比不斷減少，配煤水煤漿表觀黏度逐漸增大，其中第五組實驗配煤的水煤漿最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62.23%，第六組實驗配煤的水煤漿最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61.85%，這兩組配煤比例均滿足氣化爐要求，但第六組配煤可以最大化使用自有煤種；在增加煤種A1質(zhì)量分?jǐn)?shù)至60%～80%時，最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61.74%。

從以上十四組實驗來看，第二組實驗煤種A1、煤種A2、煤種B質(zhì)量比為4∶2∶4的水煤漿性能最優(yōu)，但由于煤種A1和煤種A2為自有煤種，在保證配煤滿足氣化爐要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能增加煤種A1和煤種A2的摻配比例，因此優(yōu)選第六組煤種A1、煤種A2、煤種B質(zhì)量比為5∶3∶2的配煤方案。

3.3.3 煤種A三元配煤氣化反應(yīng)特性

結(jié)合煤種A1-煤種A2-煤種B配煤成漿特性研究結(jié)果，優(yōu)選出煤種A1、煤種A2摻配比例較高且成漿性能較好的第二組、第六組、第九組、第十一組配煤實驗方案進(jìn)行氣化反應(yīng)特性研究，結(jié)果如圖2所示。

圖2 煤種A三元配煤的TG-DTG曲線

由圖2可知，四種配煤的熱重曲線都有兩個失重區(qū)間：400℃～800℃、800℃～1 200℃，分別對應(yīng)的是揮發(fā)分的分解和碳的氣化反應(yīng)；四種配煤的起始反應(yīng)溫度均較低，反應(yīng)性均較好。從DTG曲線可以看出，四個樣品在0～150℃之間的失水速率為-2.5%/min～-1.5%/min，在400℃～450℃失重速率為-2.0%/min～-1.5%/min，煤種A1、煤種A2、煤種B質(zhì)量比為7∶1.5∶1.5的樣品在1 000℃～1 500℃的失重速率最大，為-4.47%/min。

煤種A三元配煤氣化反應(yīng)性特征數(shù)據(jù)見表6。

表6 煤種A三元配煤氣化反應(yīng)性特征數(shù)據(jù)

由表6可知，煤種A1、煤種A2、煤種B質(zhì)量比為4∶2∶4、5∶3∶2、7∶1.5∶1.5、6∶2∶2時，氣化起始溫度分別為1 002.0℃、1 003.1℃、1 002.1℃、1 001.6℃，反應(yīng)性指數(shù)R0.5分別為6.96×10-3、7.09×10-3、7.06×10-3、6.89×10-3，三種煤配比為5∶3∶2時氣化反應(yīng)性較好。煤種A1與煤種A2、煤種B進(jìn)行配煤能夠在保證氣化反應(yīng)特性較好的前提下提高成漿濃度，同時灰熔融特性變化不大，驗證了配煤方案的可行性，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

3.3.4 煤種A三元配煤的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

在氧煤比為0.9、氣化壓力為4 MPa的氣化反應(yīng)條件下，煤種A1、煤種A2、煤種B三元配煤優(yōu)選方案如表7所示，各方案氣化經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果（每1 000 m3有效氣的消耗及成本）見表8。

表7 煤種A三元配煤優(yōu)選方案

由表8可知，多元配煤方案中方案B（煤種A1、煤種A2、煤種B質(zhì)量比為5∶3∶2）總成本最低。

表8 煤種A三元配煤方案經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果（每1 000 m3有效氣的消耗及成本）

4 結(jié)論和展望

4.1 寧夏地區(qū)四種原料煤成漿性能：煤種B、煤種D＞煤種C＞煤種A，煤種B與煤種D性質(zhì)相似，煤種A成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)低（僅為58%）、黏度高、且穩(wěn)定性差，不適宜單獨制漿。

4.2 煤種A1與煤種B配煤，可以將水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到60%，與煤種C配煤基本沒有提高成漿濃度。

4.3 煤種A1、煤種A2、煤種B以質(zhì)量比4∶2∶4、4∶1∶5摻配時，最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62%，以5∶3∶2摻配時最高成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為61%。由于煤種A1和煤種A2為自有煤種，在保證配煤滿足氣化爐要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能增加煤種A1和煤種A2的摻配比例，綜合來看，煤種A1、煤種A2、煤種B質(zhì)量比為5∶3∶2的配煤方案成漿性和氣化反應(yīng)性都較好，且氣化總成本最低，應(yīng)用效益明顯。

4.4 當(dāng)前水煤漿氣化爐配煤技術(shù)有著廣闊的市場前景。將價格較低、不適宜單獨制漿的自有煤礦煤種通過配煤制漿，提高其成漿性能，并作為水煤漿氣化爐的主力煤種，具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，可使寧夏地區(qū)實現(xiàn)煤炭資源就地轉(zhuǎn)化，把資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，對深化寧夏地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性調(diào)整具有重要意義。