神華煤在航天爐干煤粉氣化中的適應(yīng)性研究

谷紅偉，劉 臻，孫凱蒂，彭寶仔

(1.國能銷售集團(tuán)有限公司，北京 100011；2.北京低碳清潔能源研究院，北京 102209)

煤炭氣化作為一種清潔的煤炭轉(zhuǎn)化方式，是實(shí)現(xiàn)煤炭高附加值綜合利用的重要技術(shù)單元和主要手段。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，煤炭從2010年至2021年間在我國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比重從69.2%降至56.0%，占比仍過半。因此，預(yù)計(jì)未來幾十年，我國煤炭將繼續(xù)發(fā)揮能源系統(tǒng)的“壓艙石”和“穩(wěn)定器”作用。然而，在“雙碳”背景下，煤炭“粗獷式”的直接燃燒利用必將受到限制，“精細(xì)化”煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化是必然趨勢。2021年12月中央經(jīng)濟(jì)會議也明確規(guī)定“新增可再生能源和原料用能不納入能源消費(fèi)總量控制”，這意味著可能未來用作化工原料將成為我國煤炭的主要利用途徑。

煤氣化是煤化工的龍頭技術(shù)，煤氣化技術(shù)的先進(jìn)性對煤化工整體技術(shù)的效率、成本和發(fā)展有重要影響[1]。自20世紀(jì)50—60年代以來，我國煤氣化技術(shù)開發(fā)工作取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，形成了固定床、流化床和氣流床三大工業(yè)成熟應(yīng)用的氣化技術(shù)[2，3]，以及等離子體氣化、催化氣化和地下氣化等新型氣化技術(shù)[4-6]。尤其是在氣流床氣化技術(shù)方面，形成了多噴嘴對置式水煤漿/粉煤氣化、航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)、SE粉煤加壓氣化等具有自主知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)煤氣化技術(shù)[7，8]。干煤粉氣化因其清潔、高效、原料覆蓋廣等優(yōu)勢，已成為國家重點(diǎn)推廣的潔凈煤利用技術(shù)，航天爐作為國內(nèi)煤粉氣化的代表之一[9]，在國內(nèi)煤化工項(xiàng)目中有廣泛的應(yīng)用。航天爐具有原料煤適應(yīng)性強(qiáng)，開停車時(shí)間短，負(fù)荷增減快，可進(jìn)行全程安全監(jiān)控等顯著優(yōu)勢[10，11]，是煤炭清潔利用的優(yōu)選技術(shù)。本文擬通過對航天爐使用或試燒的煤種特性進(jìn)行分析和總結(jié)，結(jié)合對產(chǎn)自燕家塔、大柳塔和巴圖塔的3種神華煤的工業(yè)分析和灰熔融特性分析，探討其作為航天爐氣化原料的適應(yīng)性，為3種神華煤尋找技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良的氣化技術(shù)，對實(shí)現(xiàn)神華煤的清潔高效利用具有重要意義。

1 航天爐對煤種的適應(yīng)性分析

不同氣化工藝對煤種的適應(yīng)性不同[12，13]，例如干煤粉氣流床氣化技術(shù)采用水分含量高的褐煤作為原料時(shí)，需要預(yù)先干燥；液態(tài)排渣氣化技術(shù)采用灰熔點(diǎn)較高的煤作為原料時(shí)，會導(dǎo)致爐溫升高，不利于氣化爐的穩(wěn)定，需要添加助熔劑降低灰熔點(diǎn)。目前還沒有能廣泛適應(yīng)各煤種的煤氣化技術(shù)，因此研究航天爐對煤種的適應(yīng)性，對篩選合適的氣化原料至關(guān)重要。

航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)采用干粉進(jìn)料，煤粉顆粒 20～90μm，采用惰性氣體(氮?dú)饣蚨趸?輸送，氣化壓力 3～4MPa，爐膛操作溫度1400～1850℃，采用單燒嘴下行制氣。作為自主知識產(chǎn)權(quán)干粉氣化技術(shù)，航天爐的突出特點(diǎn)是設(shè)備國產(chǎn)化率高，廣泛適用于各類煤化工項(xiàng)目。航天爐對煤種的適用性較廣，適用的原料包括粒徑85μm、水分為1.8%、灰分為12%的褐煤，粒徑90μm、水分為1.5%、灰分為15%的煙煤，粒徑80μm、水分為1.0%、灰分為25%的無煙煤[14]。一般要求原料煤的灰組成中金屬氧化物的含量(質(zhì)量占比)為Na2O：0.1%～3.1%，K2O：0.1%～3.3%，CaO：1.2%～23.7%，F(xiàn)e2O3：5.9%～27.8%，Al2O3：9.5%～32.6%，SiO2：24.9%～58.9%[15]。

1.1 使用和試燒的典型煤種

通過調(diào)研安徽昊源化工[16]、新疆中能萬源化工[17，18]、新鄉(xiāng)中新化工[19]、河南晉開化工[17]、天溪化工[16]、山東瑞星化工[16]、安徽晉煤中能化工[20]等多個(gè)化工項(xiàng)目中航天爐應(yīng)用或試燒的煤種數(shù)據(jù)，選取了其中13種典型煤質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表1。航天爐適宜的煤種主要是煙煤和無煙煤，代表性的煤種有順達(dá)煤、神華煤、保利煤、長平煤、寺河洗末煤、鳳凰高硫煤等。

表1 航天爐使用和試燒過的典型煤種

1.1.1 煙煤

煙煤是航天爐應(yīng)用最廣泛的煤種，主要可分為兩類，一類是以產(chǎn)自陜西神木地區(qū)的神華煤為代表的理想煙煤，一類是產(chǎn)自新疆、內(nèi)蒙古、山西等地區(qū)的煙煤。神華煤的灰分中等(15%～25%)，在氣化過程中能產(chǎn)生一定的渣量，起到“以渣抗渣”的作用；灰熔點(diǎn)在1200～1350℃，氣化爐操作溫度適中；揮發(fā)分在25%～35%，煤種的反應(yīng)活性較高。神華煤在航天爐中運(yùn)行穩(wěn)定，在安徽昊源化工等多個(gè)項(xiàng)目中都得到應(yīng)用，常將與其他煤種進(jìn)行摻混使用，在維持氣化爐操作穩(wěn)定性的前提下盡可能降低原料成本。神華煤氣化性能好、冷煤氣效率高，由于粘溫曲線較陡，灰分的粘度隨溫度的變化比較敏感[21]，爐膛溫度波動易造成渣層的變化，通過控制爐膛在較低的操作溫度下運(yùn)行，能夠保證氣化爐的穩(wěn)定性。航天爐試燒過的新疆地區(qū)的煙煤具有發(fā)熱量高、含硫低、含灰低(10%以下)的特點(diǎn)，與神華煤的性質(zhì)接近，其中順達(dá)煤的黏溫特性稍差，圣雄煤的黏溫特性較好，圣雄煤更適用于液態(tài)排渣的氣化爐。新鄉(xiāng)中新化工采用的彬縣煤、下溝煤和黃陵煤屬于年代相對老的煙煤，灰分含量在10%～25%，揮發(fā)分含量略低，在30%左右，灰熔點(diǎn)流動溫度在1350℃左右。

1.1.2 無煙煤

河南晉開項(xiàng)目采用的寺河洗末煤和天溪化工項(xiàng)目采用的鳳凰高硫煤都是典型的無煙煤。其中寺河洗末煤灰分含量低，固定碳含量高，揮發(fā)分含量低，反應(yīng)活性較差；鳳凰高硫煤屬于高灰高硫煤，灰分達(dá)到了36%以上。這兩類無煙煤的灰熔點(diǎn)都在1500℃以上，采用航天爐氣化技術(shù)時(shí)必須通過添加石灰石助劑或者摻混其他低灰熔點(diǎn)的煤來維持氣化爐的穩(wěn)定性。通過向寺河洗末煤添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的石灰石，可以將灰熔點(diǎn)降低到1350℃左右，向鳳凰高硫煤添加3%的石灰石，灰熔點(diǎn)能夠降低到1380℃左右，從而滿足航天爐操作溫度的要求。

1.1.3 摻混煤

為了最大限度的實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)低耗，采用航天爐的化工企業(yè)常將神華煤與其他適應(yīng)性差一點(diǎn)的煙煤或無煙煤進(jìn)行摻混作為氣化原料，并且通過摸索找出最適合的摻混配比。摻混煤的灰分在9%～25%之間，揮發(fā)分在10%～35%之間，灰熔點(diǎn)流動溫度1250～1350℃。

1.2 典型煤種的氣化特性

1.2.1 煙煤的氣化特性

神華煤作為航天爐的理想原料，運(yùn)行工況穩(wěn)定，爐膛掛渣效果較好，爐膛溫度適宜，有效氣的含量達(dá)到92%，殘?zhí)己吭?%以下。新疆順達(dá)煤氣化工況整體穩(wěn)定，但黏溫特性稍差，不利于水冷壁的掛渣，導(dǎo)致爐膛溫度波動較大(500～1100℃)，煤不能完全燃燒，粗渣殘?zhí)几?，達(dá)到5.5%。圣雄煤黏溫特性好，運(yùn)行工況穩(wěn)定，有效氣含量88.4%，粗渣殘?zhí)己?.4%，是航天爐較為理想的原料煤之一。彬縣煤、下溝煤和黃陵煤等年老煙煤灰熔點(diǎn)較高，不易在水冷壁上形成渣層，爐溫波動大，煤在氣化爐內(nèi)燃燒不充分，殘?zhí)驾^多，粗渣中的殘?zhí)歼_(dá)到20%以上。

1.2.2 無煙煤的氣化特性

河南晉開項(xiàng)目和天溪化工項(xiàng)目都試燒過晉城無煙煤[22，23]，晉城無煙煤可磨性差，導(dǎo)致入爐粉煤的合格率低，其氣化過程還存在氧氣消耗大、有效氣含量低、灰渣含碳量高、渣水系統(tǒng)結(jié)垢堵塞嚴(yán)重等問題，不利于長周期穩(wěn)定運(yùn)行。通過向寺河洗末煤添加助熔劑能夠?qū)崿F(xiàn)氣化過程的平穩(wěn)運(yùn)行，氣化后的粗煤氣有效氣含量能夠達(dá)到83%左右，粗渣殘?zhí)剂吭?%左右，氣化爐。天溪化工項(xiàng)目的設(shè)計(jì)原料是“三高煤”，因此采用鳳凰高硫煤作為氣化原料運(yùn)行穩(wěn)定，粗煤氣中有效氣含量也在83%左右，粗渣殘?zhí)荚?%以下，氣化爐爐膛沒有超溫現(xiàn)象，氣化爐掛渣良好。

1.2.3 摻混煤的氣化特性

安徽晉煤中能化工采用神華煤分別與山西長平煤、新疆保利煤摻混作為航天爐的氣化原料，摻混煤的燃燒差異主要表現(xiàn)在對氣化爐的溫度控制、水冷壁的掛渣和爐內(nèi)的反應(yīng)活性上。2種摻混煤氣化后的有效氣的含量在82%～86%，粗渣殘?zhí)剂啃∮?%，濾餅中殘?zhí)己吭?0%～30%。神華煤的摻混比例較大時(shí)，入爐煤量低，運(yùn)行工況穩(wěn)定，操作彈性大。隨著神華煤摻混比例的降低，爐溫開始不易控制，煤耗上升、濾餅中殘?zhí)己吭黾印⑻嫁D(zhuǎn)化率下降，嚴(yán)重時(shí)，還會導(dǎo)致灰水的水質(zhì)變差。根據(jù)試燒結(jié)果，摻混比例為神華煤∶保利煤=7∶3、神華煤∶長平煤=7∶3時(shí)，航天爐的運(yùn)行工況及各項(xiàng)工藝指標(biāo)穩(wěn)定，操作溫度可以控制在1350～1450℃。從試燒的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)來看，要保證以摻混煤為氣化原料時(shí)航天爐的運(yùn)行穩(wěn)定性，必須改進(jìn)配煤方式，提高摻混煤的均質(zhì)化程度。

表2 典型煤種的航天爐氣化指標(biāo)

2 神華煤作為航天爐原料煤的適應(yīng)性分析

2.1 神華煤的煤質(zhì)特點(diǎn)

神華煤是具有中高揮發(fā)分、高發(fā)熱量、低灰低硫的煙煤，作為氣流床氣化的煤種具有很大的靈活性和高效性?；谀壳耙验_發(fā)的3種神華煤氣流床氣化用煤品種，選取燕家塔、大柳塔和巴圖塔礦點(diǎn)神優(yōu)系列煤種進(jìn)行了煤質(zhì)特性分析，結(jié)果見表3。神優(yōu)1號—3號的揮發(fā)分均在30%左右，反應(yīng)活性較強(qiáng)，反應(yīng)時(shí)間短，有利于煤種在氣化爐的完全燃燒；灰分均低于10%，灰分含量低有利于氣化爐整體效率的提高，但是不利于在水冷壁上形成渣層，難以滿足“以渣抗渣”的要求，不利于氣化爐的穩(wěn)定；硫的含量均≤0.4%，有利于后續(xù)合成氣的凈化處理。神優(yōu)2號和神優(yōu)3號的灰熔點(diǎn)流動溫度紙于1200℃，與航天爐適宜煤種的1200～1350℃相比，略偏低，神優(yōu)1號的灰熔點(diǎn)較為合適。

表3 神華煤的煤質(zhì)特性

2.2 神華煤的航天爐氣化適應(yīng)性分析

2.2.1 工業(yè)分析數(shù)據(jù)

神優(yōu)1號—3號煤種均為煙煤，因此選擇與航天爐試燒的煙煤的工業(yè)分析結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖1所示。從分析結(jié)果來看，試燒煤種的水分較低，大部分在6%以下，神優(yōu)3號煤種的水分含量偏高，磨煤干燥時(shí)的能耗可能略高，另外，內(nèi)水偏高可能會影響布袋除塵器的使用壽命。試燒煤種的灰分一般在0.6%～15%，揮發(fā)分在26%～38%，固定碳在47%～62%，神優(yōu)1號—3號的灰分、揮發(fā)分和固定碳的范圍均在適宜的范圍內(nèi)。因此，從工業(yè)分析數(shù)據(jù)來看，神優(yōu)1號—3號煤種作為航天爐的氣化原料有較好的適應(yīng)性。

圖1 航天爐試燒的煙煤與神優(yōu)1號—3號的工業(yè)分析數(shù)據(jù)對比(%)

2.2.2 灰渣熔融特性

航天爐試燒的煙煤與神優(yōu)1號—3號的灰熔點(diǎn)溫度對比如圖2所示，航天爐一般要求入爐煤的灰熔點(diǎn)流動溫度在1200～1350℃的范圍內(nèi)，從圖2可以看出航天爐試燒的煙煤的流動溫度(FT)基本都在該范圍內(nèi)。神優(yōu)1號的FT為1308℃，符合要求，神優(yōu)2號和神優(yōu)3號的FT均小于1200℃，有些偏低。另外，F(xiàn)T-DT差值也是判斷氣化爐操作穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，差值越大，操作窗口越寬，有利于維持氣化爐的穩(wěn)定。航天爐試燒煙煤的FT-DT差值基本在50～130℃之間，神優(yōu)1號—3號的FT-DT差值分別為168℃、18℃和53℃，推測神優(yōu)2號煤試燒操作窗口偏低。神優(yōu)2號和神優(yōu)3號的灰熔融特性與順達(dá)煤比較接近，根據(jù)順達(dá)煤的試燒結(jié)果，單獨(dú)以神優(yōu)2號或神優(yōu)3號作為航天爐的原料，不利于氣化爐的穩(wěn)定。相比之下，神優(yōu)1號煤種作為航天爐的原料，適應(yīng)性更強(qiáng)。此外，航天爐對灰渣的黏溫特性要求較高，在氣化爐排渣溫度下，要求煤灰黏度在2～50Pa·s，同時(shí)要求其對應(yīng)的溫度區(qū)間大于100℃[24]。因此，考察神優(yōu)煤1號在航天爐上的適應(yīng)性，還需要進(jìn)一步分析其灰渣黏溫特性，考慮是否通過添加助劑的方式改變煤種的黏溫特性。

圖2 航天爐試燒的煙煤與神優(yōu)1號—3號的灰熔點(diǎn)溫度對比

3 結(jié) 論

對航天爐試燒的十幾種煤按照煙煤、無煙煤和摻混煤進(jìn)行分類，對比了各類煤種的煤質(zhì)特點(diǎn)及其氣化特性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)有著廣泛的煤種適應(yīng)性，尤其以神華煤為代表的煙煤有較好的氣化效果，同時(shí)高灰熔點(diǎn)的無煙煤通過添加助劑或者與低灰熔點(diǎn)的煤摻混的方式也可以作為航天爐氣化原料。將3種產(chǎn)自燕家塔、大柳塔和巴圖塔礦點(diǎn)的神華煤(神優(yōu)1號—3號)的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)與航天爐試燒的煙煤進(jìn)行對比分析，從工業(yè)分析數(shù)據(jù)來看，神優(yōu)1號—3號均可以作為航天爐的原料，但是神優(yōu)2號和3號的灰熔點(diǎn)偏低，可能需要摻混灰熔點(diǎn)高的煤種來提高氣化的穩(wěn)定性。此外，為分析煤種在氣化爐內(nèi)的結(jié)渣特性，還需要在本研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對煤種的黏溫特性進(jìn)行詳細(xì)研究。