粉煤和水煤漿氣化技術(shù)比選的煤質(zhì)適應(yīng)性分析

唐 煜 王彥海 賀百廷 任海君

（1.神華包頭煤化工有限責(zé)任公司質(zhì)量技術(shù)部，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010；2.中國神華煤制油化工有限公司北京工程分公司工程技術(shù)管理部，北京市東城區(qū)，100011）

1 引言

氣化是煤炭產(chǎn)業(yè)和煤化工產(chǎn)業(yè)之間的重要紐帶，目前，在氣化領(lǐng)域主要采用先進(jìn)的氣流床加壓煤氣化技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的固定床氣化工藝，這種氣化技術(shù)具有碳轉(zhuǎn)化率高、環(huán)境友好、產(chǎn)氣量大等特點。典型的氣流床加壓氣化技術(shù)可分為干法粉煤氣化和水煤漿氣化，這兩種氣化路線對煤質(zhì)的要求既有相同之處也存在差異，煤質(zhì)適應(yīng)性分析是氣化設(shè)計和生產(chǎn)的重要依據(jù)，也是氣化技術(shù)比選的基礎(chǔ)。

煤質(zhì)分析主要包括工業(yè)分析、元素分析、灰渣特性、發(fā)熱量、可磨性及成漿性等，這些煤質(zhì)數(shù)據(jù)是判定煤種特性的基礎(chǔ)，是干法粉煤氣化和水煤漿氣化技術(shù)比選、設(shè)計及生產(chǎn)管理的重要依據(jù)。

2 影響氣流床加壓氣化工藝的煤質(zhì)共性因素

對于氣流床加壓氣化技術(shù)，不管是水煤漿進(jìn)料還是粉煤進(jìn)料，對煤質(zhì)的要求都有其共性，下面將結(jié)合神東3個不同礦區(qū)的煤質(zhì)進(jìn)行分析，如表1。

表1 原料煤煤質(zhì)分析

2.1 元素組成

煤的元素分析主要是分析煤中有機(jī)物的組成，有機(jī)物成分主要是由C、H、O 等元素組成，還有少量的N、S及其他微量元素，這些元素對氣化系統(tǒng)及后系統(tǒng)都能產(chǎn)生不同程度的影響。

（1）C、H、O。C、H、O 與煤化程度有關(guān)，一般地，C、H 含量越高，煤耗相對較低，O 含量低，則氣化時需要供給更多的氣化劑如蒸汽和氧氣等。

（2）N、S。若煤種的N 含量過高，會在氣化爐內(nèi)生成過多的氨，將使得氣化水系統(tǒng)PH 過高引起嚴(yán)重結(jié)垢，如圖1所示；另外，煤氣中的氨濃度過高易造成變換汽提系統(tǒng)碳銨結(jié)晶堵塞和腐蝕；對于耐硫變換工藝，合成氣中適當(dāng)濃度的S有助于耐硫變換催化劑保持活性；在實際生產(chǎn)中，氣化和變換系統(tǒng)的腐蝕主要來自于凝液腐蝕，溶解于凝液中的氨和H2S易形成化學(xué)活性高的離子導(dǎo)致其腐蝕性強(qiáng)。除了選擇耐腐蝕材質(zhì)外，在工藝設(shè)計上，要避免在合成氣和汽提氣流經(jīng)的管道和設(shè)備中出現(xiàn)流動死區(qū)和低溫的波谷，杜絕異常汽凝環(huán)境形成的條件。

（3）As。合成氣中As含量過高會導(dǎo)致變換催化劑和甲醇合成催化劑的不可逆中毒，當(dāng)合成氣中的As含量高于0.06%時，變換催化劑將迅速失活，原則上As含量越低越好。

（4）P。P 在煤中的含量過高，尤其是超過0.05%時，會造成鋼材尤其是體心立方晶格鐵素體材質(zhì)的冷脆性，原則上P在煤中的含量越低越好。

圖1 某工廠氣化水系統(tǒng)管道結(jié)垢圖

（5）Cl。Cl過高，也會對裝置造成腐蝕，而且其進(jìn)入甲醇合成系統(tǒng)會導(dǎo)致合成催化劑不可逆失活，原則上Cl在煤中的含量越低越好。

2.2 發(fā)熱量

一般情況下，煤發(fā)熱量和碳含量、灰分有關(guān)，如表1所示，碳元素在煤種1～3中依次升高，灰分依次降低，發(fā)熱量也相應(yīng)地減少。

2.3 反應(yīng)活性

反應(yīng)活性是煤的重要參數(shù)之一。分子從外界獲取足夠的能量才能激發(fā)其越過活化能閾值成為易于發(fā)生反應(yīng)的活性分子，所以環(huán)境溫度越高，被激發(fā)的分子越多，其反應(yīng)活性也越強(qiáng)；在同一溫度下，煤的反應(yīng)活性越高，氣化速率越快，同樣條件下，將會獲得更高的碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率；對于反應(yīng)活性低的煤種，需要在煤磨機(jī)內(nèi)磨成更細(xì)粒度的煤粒，因為從燒嘴噴出的大顆煤粉或水煤漿液滴會來不及完全燃燒氣化就落出氣化燃燒室，導(dǎo)致能源的浪費(fèi)。

2.4 可磨性

煤的可磨性由可磨指數(shù)表示，可磨指數(shù)越高，煤越易破碎，磨機(jī)的能耗和損耗也越低，氣化用煤一般要求煤的可磨性好，這樣才能磨出符合氣化要求的煤粉粒度，一般要求氣化用煤哈氏可磨指數(shù)大于60，以保證煤粒在氣化爐短暫的停留時間內(nèi)完全氣化。

3 兩種典型氣化技術(shù)的煤質(zhì)適應(yīng)性分析

目前獲得廣泛應(yīng)用且較為先進(jìn)的氣流床加壓氣化技術(shù)主要是干法粉煤氣化和水煤漿氣化，由于技術(shù)特點的差異，使得這兩種氣化技術(shù)對煤質(zhì)的要求也有所不同。

3.1 水分

煤的水分主要包括外水和內(nèi)水，外水為由于外部環(huán)境原因附著在煤表面的水，內(nèi)水是指被吸附在煤毛細(xì)孔內(nèi)的水分，內(nèi)水一般對氣化影響相對較大。

對于粉煤氣化，采用惰性氣體密相輸送干煤粉進(jìn)料，原則上要求輸送煤粉的水含量低于2%，因為高水含量容易造成煤粉之間的粘連團(tuán)聚，無法形成穩(wěn)定連續(xù)的密相流，從而造成氧煤比的大幅波動和燒嘴噴射火焰的飄移，往往導(dǎo)致水冷壁的燒損和氣化系統(tǒng)跳車，另外，煤粉水含量高還容易造成橋架堵塞，影響正常的輸送和儲存。

一般地，外水易于蒸干去除，而附在煤毛細(xì)孔內(nèi)的內(nèi)水不易去除，煤的毛細(xì)孔孔徑越細(xì)，其對水的吸附作用越強(qiáng)，相應(yīng)的蒸汽壓也越低于純水上方的蒸汽壓，越不易加熱蒸出，煤粉的干燥能耗也越大，原則上粉煤氣化用煤水分尤其是內(nèi)水越低越好。

對于水煤漿氣化，在碳燃燒之前先經(jīng)歷水的蒸發(fā)過程，水煤漿濃度越高，相應(yīng)的水越少，蒸發(fā)所需熱量也相應(yīng)減少，使得比煤耗和比氧耗也越低。煤的內(nèi)水是影響成漿濃度的重要因素，內(nèi)水主要是由于毛細(xì)孔和煤中的親水基的吸附引起的，由于毛細(xì)孔和親水基的吸附以及水的表面張力使煤粒周圍形成一層水膜，毛細(xì)孔越是繁茂親水基越多的煤種，這層水膜就越厚，這樣內(nèi)水越高，煤漿濃度越低；如表1所示，內(nèi)水 （Mad）在煤種1～3中依次升高，這3種煤的成漿濃度也依次下降。

3.2 揮發(fā)分

揮發(fā)分和煤的煤化程度有關(guān)，揮發(fā)分隨著煤化程度的加深而減少，揮發(fā)分有利于水煤漿氣化。研究表明水煤漿氣化經(jīng)歷水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出熱解、殘?zhí)細(xì)饣紵@幾個過程。對于水煤漿氣化，碳的燃燒用時是揮發(fā)分熱解時長的數(shù)倍。揮發(fā)分增加，在氣化爐爐膛極短暫的停留時間內(nèi)，水煤漿液滴反應(yīng)越完全，碳轉(zhuǎn)化率越高；揮發(fā)分過低，會使水煤漿氣化燃燒速率和碳轉(zhuǎn)化率下降。對于粉煤氣化，其氣化溫度高達(dá)1450℃，干煤粉反應(yīng)速率遠(yuǎn)快于水煤漿，因為揮發(fā)分的高低對氣化過程的影響不大；但揮發(fā)分對制粉單元影響較大，揮發(fā)分過高的煤種在制粉過程的干燥環(huán)境中易發(fā)生自燃和爆炸，通過往制粉單元通入惰性氣體控制氧含量在10%以內(nèi)以確保安全，一般要求，揮發(fā)分不超過35%即可。

3.3 灰渣特性

煤中的礦物質(zhì)，幾乎不參與氣化過程的化學(xué)反應(yīng)，但其在氣化過程中形成的灰渣對氣流床加壓氣化有著重要影響，煤的灰渣特性決定了氣化操作條件和煤化工運(yùn)行工廠的經(jīng)濟(jì)性，是氣化技術(shù)選擇的重要依據(jù)。灰渣特性主要包括灰分特性、熔融特性、粘溫特性及結(jié)渣特性等幾個方面，這些特性彼此聯(lián)系、互為關(guān)聯(lián)。

3.3.1 灰分

（1）灰分組分。

灰分是指煤中的礦物質(zhì)，主要由Fe2O3、MgO、CaO、SiO2、Al2O3、TiO2等組分組成，其中Fe2O3、MgO、CaO 為堿性組分，SiO2、Al2O3、TiO2為酸性組分。堿性組分和酸性組分之比稱為堿酸比，見式 （1）：

對于水煤漿氣化，應(yīng)該避免使用堿性灰分和Fe含量高的煤種，計算得出表1中三煤種灰分的堿酸比數(shù)值分別為2.87、0.52和0.43，煤種1的堿酸比達(dá)到2.87，說明其灰渣為堿性，堿性灰渣對耐火磚滲透性強(qiáng)，灰渣中的Fe 元素也隨之侵入，破壞耐火磚的晶格結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致耐火磚膨脹脆裂剝落，降低了耐火磚的使用壽命；圖2為某工廠水煤漿氣化爐渣口磚剝落一角。該工廠在發(fā)現(xiàn)該氣化爐渣口磚剝落前一段時間使用煤種1 作為氣化煤種。

圖2 某工廠水煤漿氣化爐渣口磚剝落一角

（2）灰分含量的影響。

對于氣流床加壓氣化液態(tài)排渣的氣化方式，為了順利排渣，氣化溫度一般要高于煤的灰熔點，灰分才能形成熔融態(tài)的灰渣通過渣口流出氣化爐燃燒室；在氣化過程中，煤中的灰分要吸收大量的反應(yīng)熱才能熔化成液態(tài)，所以灰分含量越高，灰渣帶走的熱量越多，比煤耗和比氧耗也隨之增加，相關(guān)研究表明，灰分增加1%，煤耗提高1.4%左右，氧耗提高7.5%左右；另外，灰分過高，將使渣量飆升，極易引起排渣不暢和堵渣，且加劇燒嘴和后系統(tǒng)的磨損。

對于粉煤氣化，氣化爐為水冷壁結(jié)構(gòu)，采用以渣抗渣的原理保證氣化爐的有效運(yùn)行。粉煤氣化最佳灰分含量為12%～25%，一般不應(yīng)低于5%，也不應(yīng)高于30%；當(dāng)氣化爐在正?；曳窒路€(wěn)定運(yùn)行時，附著到水冷壁上的飛灰和從水冷壁流下的熔融灰渣將達(dá)到平衡，渣層也將穩(wěn)定在某個厚度上，避免了水冷壁直面高溫的燃燒室造成熱蝕，并阻隔了飛灰對水冷壁的直接沖刷，但是當(dāng)灰分太低時，附著到水冷壁上的飛灰遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于從水冷壁流下的熔融灰渣，它們之間的平衡被打破，導(dǎo)致渣層不斷減薄，最終導(dǎo)致水冷壁受高溫或沖刷而損壞，如圖3和圖4為水冷壁掛渣照片；對于灰分過低的煤種，可采用飛灰循環(huán)的方式來維持水冷壁渣層厚度，確保氣化爐正常運(yùn)行。

圖3 掛渣較好

圖4 掛渣較薄

對于水煤漿氣化，原則上灰分越低越好；灰分太高會對耐火磚造成沖刷性侵蝕，且會影響煤的成漿性，如煤種3并不是水煤漿氣化的最佳煤種。

3.3.2 結(jié)渣特性

煤灰渣的結(jié)渣特性是指氣化過程中，熔融灰分結(jié)渣的特性；研究表明煤中堿性氧化物和硅鋁酸鹽玻璃體易粘附結(jié)渣，一般結(jié)渣性的強(qiáng)弱可由煤灰堿酸比與硅鋁比的乘積作為結(jié)渣指數(shù)R 表示，R≤0.3，不易結(jié)渣；R≥0.8，易于結(jié)渣。

對于水冷壁而言，灰渣的結(jié)渣性強(qiáng)，則易形成較為均勻和足夠厚度的渣層，但是卻容易在合成氣冷卻器處形成掛渣甚至堵塞換熱通道，合成氣冷卻器無法有效冷卻氣化爐產(chǎn)出的高溫合成氣，對下游形成了嚴(yán)重的安全隱患；一般地，對于激冷式粉煤氣化而言，對煤灰渣的結(jié)渣性適應(yīng)性較強(qiáng)，而對于廢鍋式粉煤氣化，結(jié)渣性不宜過強(qiáng)。3種煤的結(jié)渣指數(shù)R 都較高，分別為6.54、1.43和1.15，不適宜作為廢鍋式粉煤氣化用煤。

3.3.3 熔融及粘溫特性

對于粉煤氣化，適宜的煤種灰熔點比較寬，為1250～1550 ℃，低灰熔點煤在粉煤氣化爐上氣化時存在轉(zhuǎn)化率偏低、無法掛渣等問題；高灰熔點煤種只有在添加助熔劑時方可進(jìn)行氣化，否則勉強(qiáng)氣化會影響氣化爐內(nèi)件的使用壽命。粘溫特性與灰熔點密切相關(guān)，粉煤氣化工藝要求氣化煤種最佳灰渣粘度范圍為2～25Pa·s，在該粘度下氣化爐水冷壁可以正常掛渣，確保 “以渣抗渣”同時又可順利排渣。對于粉煤氣化，依據(jù)煤種的粘溫特性曲線來選擇合適的氣化溫度很重要。氣化溫度過低時，灰渣粘度高，渣流動不暢，容易堵塞渣口，另外低溫操作碳轉(zhuǎn)化率過低；當(dāng)氣化溫度過高，則會導(dǎo)致氣化爐膜式水冷壁上的液態(tài)掛渣流動速度過快，液態(tài)掛渣的厚度減薄，氣化爐熱損就會隨之增加，其氧耗、煤耗也會相應(yīng)增大。水冷壁掛渣厚度減薄后，高速合成氣裹挾灰渣對氣化爐內(nèi)件的沖刷磨蝕還會加劇，嚴(yán)重縮短水冷壁的使用壽命。在粉煤氣化裝置初次運(yùn)行時，首次掛渣建議選用灰熔點相對較高且結(jié)渣性好的煤種進(jìn)行掛渣。如此可有效避免后序運(yùn)行過程中因氣化溫度波動導(dǎo)致渣層大幅減薄的情況發(fā)生。以煤種3為例，根據(jù)其粘溫特性曲線 （見圖5），對應(yīng)溫度范圍在1340～1495 ℃之間，溫度范圍較寬，結(jié)合前面的分析，煤種3是可用于激冷式的粉煤氣化，同理分析，煤種1和煤種2也可用于激冷式的粉煤氣化。

對于水煤漿氣化，依據(jù)經(jīng)驗，最佳的粘度控制在15～40Pa·s之間；在實際操作中，在合適的粘度范圍內(nèi)操作才能在耐火磚表面形成一定厚度的灰渣保護(hù)層，既延長了爐磚壽命又不致堵塞渣口。氣化溫度在1100℃以上，煤種3 化學(xué)活性好，但其粘溫特性較差；當(dāng)氣化溫度在1150℃～1350℃區(qū)間時，煤種3煤灰粘溫特性曲線較陡，要使其煤灰粘度在15～40Pa·s之間，對應(yīng)圖5的溫度大約是1330℃～1349℃區(qū)間，很窄，操作難度極大，而溫度偏低時灰渣粘度高，渣流動不暢，容易堵塞渣口；當(dāng)氣化溫度高于1350℃時，煤種3 煤灰粘溫特性曲線平緩，但灰渣粘度太低，爐磚侵蝕剝落較快。以某化工廠為例，典型的氣化操作溫度在1200℃～1350℃區(qū)間 （該溫度區(qū)間碳轉(zhuǎn)化率在95%左右，隨濃度、負(fù)荷、煤質(zhì)及燒嘴情況有波動）。溫度太低，碳轉(zhuǎn)化率過低，甲烷含量也高；過高溫度，尤其是超過1400℃以后，耐火磚熱蝕加快。根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)氣化溫度高于1400℃時每提高20℃，爐磚的熔蝕速率就會提高一倍，一般原則上要求水煤漿氣化用煤灰熔點低于1300℃為宜。煤種3氣化操作溫度窗口過小并不適于水煤漿氣化，煤種1 灰熔點為1390℃也不適合，煤種2 灰熔點適中，灰分不高，適宜粘溫特性對應(yīng)的操作窗口是1255℃～1340℃區(qū)間，適合用于水煤漿氣化。

圖5 灰渣的粘溫特性

3.4 成漿性

煤成漿性的好壞是水煤漿氣化的一個重要指標(biāo)，在同等的工藝和設(shè)備條件下，成漿濃度越高，氣化的比煤耗和比氧耗越低，經(jīng)濟(jì)效益也越好；成漿濃度和很多因素有關(guān)，如用水、添加劑、攪拌強(qiáng)度、磨機(jī)級配、煤質(zhì)等；除內(nèi)水外，灰分對濃度也有影響，如表1所示，煤漿濃度隨著煤種灰分的升高而降低；水煤漿氣化用煤灰分不宜超過13%，灰分過高，會導(dǎo)致添加劑分散作用減弱，從而造成漿液分層。

4 結(jié)論與建議

（1）氣流床加壓粉煤氣化和水煤漿氣化在煤種的元素組成、發(fā)熱量、反應(yīng)活性、可磨性和水分等方面的要求較為相似，而對揮發(fā)分、灰分、結(jié)渣特性、熔融特性、粘溫特性及成漿性等方面，粉煤氣化的適應(yīng)性要明顯強(qiáng)于水煤漿氣化，其中激冷式粉煤氣化的煤質(zhì)適應(yīng)性又較廢鍋式粉煤氣化好。

（2）在比選氣化技術(shù)時，除了考慮煤質(zhì)的適應(yīng)性外，還要綜合考慮煤源、煤價及運(yùn)輸條件等因素的影響。

（3）在氣化裝置的運(yùn)行過程中，做好來煤的煤質(zhì)分析，優(yōu)化配煤措施，把控出礦原煤質(zhì)量，減少入爐煤質(zhì)的大幅波動才能確保裝置的長期滿負(fù)荷優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定運(yùn)行，創(chuàng)造出更好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 中國神華煤制油有限公司水煤漿加壓氣化煤種評價試驗報告 ［R］.西北化工研究院，2005

［2］ 神華包頭煤化工分公司濕法氣流床加壓氣化煤種試驗評價報告 ［R］.西安：西北化工研究院，2009

［3］ 廖漢湘.現(xiàn)代煤炭轉(zhuǎn)化與煤化工新技術(shù)新工藝實用全書 ［M］.合肥：安徽文化音像出版社，2004

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