雙循環(huán)流化床氣化用煤指標(biāo)及煤礦初選

毛吉會，權(quán)亞文，魏江濤，張啟科，王鵬偉，王 焜

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司碳?xì)涓咝Ю眉夹g(shù)研究中心，陜西 西安 710075）

為實(shí)現(xiàn)煤炭資源的深度轉(zhuǎn)化和清潔高效利用，加快原料多元化進(jìn)程和增強(qiáng)國家能源保障能力，針對煤炭氣化技術(shù)研發(fā)中的裝置處理能力小、煤種適應(yīng)性差、能源利用率不高、污染嚴(yán)重等問題，陜西延長石油（集團(tuán)） 有限責(zé)任公司碳?xì)涓咝Ю眉夹g(shù)研究中心開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煤炭深度轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，形成雙循環(huán)流化床超大型粉煤氣化技術(shù)(KSY)[1]。

100 t/d KSY 中試裝置采用分段氣化集成工藝技術(shù)理念，將雙流化床反應(yīng)器進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)了粉煤氣化副產(chǎn)物殘?zhí)?、半焦、焦油、甲烷的裂解轉(zhuǎn)化，提高了煤炭利用率，工業(yè)級KSY 裝置可實(shí)現(xiàn)5000 t/d 單爐處理量。煤礦的選擇對KSY 技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程及成果落地尤為重要，本文從煤種適用性出發(fā)，基于KSY 技術(shù)用煤指標(biāo)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對適合KSY 技術(shù)落地的煤礦進(jìn)行初步篩選，為KSY 技術(shù)產(chǎn)業(yè)化推廣奠定基礎(chǔ)。

1 KSY 技術(shù)用煤指標(biāo)分析

1.1 哈氏可磨性指數(shù)

KSY 技術(shù)采用干法氣力輸送煤粉進(jìn)料、固體物料循環(huán)流化氣化和干法固體排灰。煤粉粒徑分布對進(jìn)料、反應(yīng)器循環(huán)、反應(yīng)等有很大影響。若煤粉粒徑分布偏細(xì)，在輸送進(jìn)料過程中容易團(tuán)聚架橋，影響流化床反應(yīng)器的旋風(fēng)效率等；若煤粉粒徑分布偏粗，在輸送進(jìn)料過程中的氣固比較高，輸送效率低，會影響循環(huán)流化穩(wěn)定性并降低煤粒反應(yīng)速率等。

在煤的一般性質(zhì)中，哈氏可磨性指數(shù)（HGI）是影響煤粉粒徑分布的主要因素，循環(huán)流化床要求選用HGI中等的煤種作為原料煤，一般要求HGI 在50～60 及以上[2]。KSY 中試裝置用煤考慮到煤粉的制備、進(jìn)料方式以及反應(yīng)器的類型，不宜選用HGI 過高和過低的煤種。煤粉在實(shí)際輸送過程中存在一定程度的磨損，其粒徑分布向相對較細(xì)的方向偏移。煤粉輸送和進(jìn)料系統(tǒng)運(yùn)行較穩(wěn)定，通過控制煤粉輸送及進(jìn)料載氣分配，降低輸送氣固比，在一定程度上能降低煤粉磨損，但反應(yīng)器內(nèi)煤粉的磨損不易控制。KSY 中試裝置試驗(yàn)用煤[崔木煤、下溝煤（來自彬長礦區(qū)）、杭來灣煤為試驗(yàn)用煤，亭南煤為備選煤]的HGI 與運(yùn)行工況如表1 所示。

由表1 可知，煤種HGI 分布較低時(shí)，反應(yīng)器一段旋風(fēng)出口壓差相對較低，旋風(fēng)分離器效率較高,但磨煤機(jī)電流高，功耗高；煤種HGI 中等偏高時(shí)，磨煤機(jī)功耗低，制備的煤粉粒度較細(xì)，反應(yīng)器一段旋風(fēng)出口壓差相對較高，一級旋風(fēng)分離器效率較低，但二級旋風(fēng)分離器可以捕集較細(xì)粒徑的固體，降低細(xì)粒徑固體顆粒對反應(yīng)器正常運(yùn)行的影響。綜合分析，KSY 技術(shù)氣化適合選用HGI 中等偏高的煤種，將HGI 在60～98 定為甲級指標(biāo)、50～59 定為乙級指標(biāo)。

表1 KSY 中試裝置試驗(yàn)用煤的HGI 與運(yùn)行工況

1.2 揮發(fā)分和灰分

煤的揮發(fā)分反應(yīng)煤的燃燒特性，可用于煤種工業(yè)用途的判斷，更是選取氣化用煤的重要指標(biāo)之一。煤的揮發(fā)分越高，活性越高，有利于氣化的進(jìn)行，但隨著揮發(fā)分的升高，氣化時(shí)焦油的產(chǎn)率也升高，過多的焦油會使后續(xù)除塵過濾器的壓差過高，甚至堵塞濾芯，影響中試裝置的正常運(yùn)行，但深度轉(zhuǎn)化爐的存在又可以將氣化產(chǎn)生的焦油裂解[1]，所以KSY 技術(shù)氣化用煤對揮發(fā)分的要求不高。對KSY 中試裝置試驗(yàn)用煤的揮發(fā)分、固定碳和灰分進(jìn)行分析，結(jié)果如表2 所示。

表2 KSY 中試裝置試驗(yàn)用煤的揮發(fā)分、固定碳和灰分

由表2 可知，通過用煤燃料比初步判斷，KSY 中試裝置試驗(yàn)用煤為褐煤和低變質(zhì)程度的煙煤，屬于低灰、特低灰、高碳煤種，試驗(yàn)時(shí)氣化效率較高，但為了維持反應(yīng)器循環(huán)流化，需要定期向反應(yīng)器內(nèi)補(bǔ)充石英砂?？紤]到KSY 技術(shù)工業(yè)化裝置規(guī)模達(dá)5000 t/d，因此可以將KSY 工業(yè)氣化裝置建在適合的中高、高灰分煤礦坑口，改運(yùn)煤為輸氣，可大大降低原料運(yùn)輸成本，實(shí)現(xiàn)煤炭的集中轉(zhuǎn)化和集約利用，降低物流壓力和安全風(fēng)險(xiǎn)。綜合分析，KSY 技術(shù)氣化可以選用高灰分煤種，將灰分≥16%定為甲級指標(biāo)、5%～16%定為乙級指標(biāo)。

1.3 焦渣特性和黏結(jié)指數(shù)

煤的焦渣特性（CRC）可以反映煤在燃燒或受熱發(fā)生氣化反應(yīng)時(shí)煤粒是否會黏結(jié)在一起，黏結(jié)指數(shù)（GR.I）則能反映黏結(jié)煤粒間結(jié)合的牢固程度。結(jié)焦和結(jié)渣在循環(huán)流化床運(yùn)行中比較普遍，會從不同程度上破壞穩(wěn)定流態(tài)化。造成結(jié)焦和結(jié)渣的因素有很多，煤種CRC越大，越容易結(jié)焦，煤種GR.I相對較大時(shí)，在循環(huán)流化床中容易聚集形成較大顆粒或大塊結(jié)焦塊。為避免反應(yīng)器內(nèi)的結(jié)焦和結(jié)渣，試驗(yàn)期間對用煤的CRC 和GR.I尤為關(guān)注。KSY 中試裝置試驗(yàn)用煤的CRC、GR.I如表3所示。目前KSY 中試裝置已對CRC 在1～3、GR.I在0～20的煤種進(jìn)行氣化研究，氣化爐均未出現(xiàn)結(jié)焦和結(jié)渣情況。綜合分析，將CRC＜3 和GR.I＜5 定為甲級指標(biāo)、CRC 在3～4 和GR.I在5～35 定為乙級指標(biāo)。

表3 KSY 中試裝置試驗(yàn)用煤的CRC、GR.I

1.4 煤對二氧化碳的反應(yīng)性

KSY 技術(shù)原料煤粉的輸送進(jìn)料、壓差吹掃氣、管口保護(hù)氣可采用二氧化碳和循環(huán)煤氣，對于采用二氧化碳作為原料輸送氣、管口保護(hù)氣的工藝，選擇的煤種對二氧化碳的反應(yīng)性越高，碳轉(zhuǎn)化率越高；對于采用循環(huán)煤氣作為原料輸送氣、管口保護(hù)氣的工藝，選擇的煤種對二氧化碳的反應(yīng)性要求不是很高。試驗(yàn)煤種對二氧化碳的反應(yīng)性曲線如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)煤種對二氧化碳的反應(yīng)性

由圖1 可知，在操作溫度相同時(shí)，隨著煤化程度的加深，煤對二氧化碳的還原率降低，KSY 技術(shù)快速氣化爐的操作溫度達(dá)982 ℃以上，在982 ℃時(shí)崔木煤和下溝煤等褐煤對二氧化碳還原率接近90%，而低煤化程度的煙煤亭南煤對二氧化碳的還原率不到60%。因此KSY 工業(yè)氣化裝置落地煤礦坑口煤種對二氧化碳的反應(yīng)性可作為原料輸送氣、管口保護(hù)氣等工藝選擇的主要指標(biāo)。

1.5 煤灰熔融性

煤灰熔融性可以反映煤在氣化反應(yīng)器內(nèi)結(jié)渣的難易程度，循環(huán)流化床內(nèi)難免存在流化死區(qū)或過氧高溫區(qū)域，這些區(qū)域的熱量不能快速擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到某一較高的溫度時(shí)，煤中的礦物質(zhì)被氧化或分解形成的金屬氧化物就會發(fā)生軟化并開始熔融，造成反應(yīng)器內(nèi)結(jié)渣。選擇5 種對KSY 中試裝置用煤的煤灰熔融性起主要作用的金屬氧化物進(jìn)行分析，結(jié)果如表4 所示。

表4 KSY 中試裝置用煤灰熔融性溫度和煤灰金屬氧化物含量

由表4 可知，煤灰中的Al2O3和SiO2含量越高，煤灰熔融性溫度越高，而Fe2O3、CaO 和MgO 含量越高，煤灰熔融性溫度越低[3]。

流化床氣化爐在灰熔融性溫度允許的情況下，盡量提高操作溫度，可以提高氣化效率，但操作溫度過高又會增加結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn)，一般煤灰熔融性溫度高于操作溫度200 ℃～250 ℃時(shí)，氣化爐能安全運(yùn)行，KSY 技術(shù)快速氣化爐的操作溫度為982 ℃，選擇灰熔融性溫度在1182 ℃～1232 ℃的煤種更有利于裝置高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行，目前主流的氣流床氣化技術(shù)受限于煤灰熔融性溫度＞1500 ℃的高灰劣質(zhì)煤，而KSY 技術(shù)采用干法排灰，不受灰熔融性溫度過高的限制，所以選擇灰熔融性溫度＞1232 ℃的煤種，還可以增加KSY技術(shù)快速氣化爐操作溫度的提高空間。綜合分析，將灰熔融性溫度＞1232 ℃定為甲級指標(biāo)、灰熔融性溫度在1182 ℃～1232 ℃定為乙級指標(biāo)。因此KSY 工業(yè)化裝置可選擇在亭南煤礦口布局。

2 煤炭礦區(qū)初選

我國西北地區(qū)煤種較為齊全，從褐煤到無煙煤均有分布，以低變質(zhì)煙煤、長焰煤、不黏煤、弱黏煤、中黏煤為主[4]，神東煤炭基地是我國主要原煤生產(chǎn)區(qū)域[5]，研究其礦區(qū)煤種的各項(xiàng)指標(biāo)對KSY 技術(shù)的適用性和落地具有一定意義。對神東煤炭基地東勝礦區(qū)原煤部分煤質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析[6-7]，結(jié)果如表5 所示。

2.1 煤灰熔融性

由表5 可知，大部分原煤的灰熔融性溫度在1140 ℃～1300 ℃，經(jīng)計(jì)算，達(dá)到KSY 用煤灰熔融性溫度指標(biāo)的煤種占72%，保德北部區(qū)混煤灰熔融性溫度高于氣流床氣化技術(shù)受限溫度。

表5 神東煤炭基地東勝礦區(qū)原煤部分煤質(zhì)指標(biāo)

2.2 哈氏可磨性指數(shù)

由表5 可知，神東煤炭基地東勝礦區(qū)煤種的HGI 在44～70，屬于較難磨煤和中等可磨煤，經(jīng)計(jì)算有44%的煤種能達(dá)到KSY 用煤乙級入門指標(biāo)，有17%的煤種能達(dá)到KSY 用煤甲級優(yōu)質(zhì)指標(biāo)。

2.3 結(jié)焦性和結(jié)渣性

神東煤炭基地東勝礦區(qū)有58.82%的煤炭的格金焦型為A 型，41.18%為B 型[6]，其中保德北部區(qū)混煤GR.I＜10，其余GR.I均為0，屬于不黏、微黏結(jié)煤種，一般格金焦型為A 型煤種的半焦CRC 小于2，而B 型煤種半焦CRC 不大于3，表明礦區(qū)煤的黏結(jié)性、結(jié)焦性較差，難以作為傳統(tǒng)煉焦煤使用。所以在結(jié)焦性和結(jié)渣性方面，除保德北部區(qū)混煤部分煤種外，基本都能達(dá)到KSY 用煤甲級優(yōu)質(zhì)指標(biāo)。

2.4 灰分

由表5 可知，神東煤炭基地主要礦區(qū)煤種的灰分為4%～31%，從特低灰煤到高灰煤均有分布，僅考慮灰分，經(jīng)計(jì)算有17%的煤種能達(dá)到KSY 用煤甲級指標(biāo)，有78%的煤種能達(dá)到KSY 用煤乙級指標(biāo)。

3 結(jié)論

3.1 通過KSY 中試裝置試驗(yàn)用煤煤質(zhì)指標(biāo)分析，確定KSY 技術(shù)用煤煤種初選主要指標(biāo)為HGI、結(jié)焦性和結(jié)渣性、煤灰熔融性、灰分。其中HGI 在60～98 定為甲級指標(biāo)、50～59 定為乙級指標(biāo)，CRC＜3 和GR.I＜5 定為甲級指標(biāo)、CRC 在3～4 和GRI 在5～35 定為乙級指標(biāo)，煤灰熔融性溫度＞1232 ℃定為甲級指標(biāo)、煤灰熔融性溫度在1182℃～1232 ℃定為乙級指標(biāo)，灰分≥16%定為甲級指標(biāo)、5%～16%定為乙級指標(biāo)。

3.2 神東煤炭基地東勝礦區(qū)72%的煤種的煤灰熔融性溫度能達(dá)到KSY 技術(shù)用煤標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 神東煤炭基地東勝礦區(qū)較難磨煤和中等可磨煤比重較大，只有17%的煤種的HGI 能達(dá)到KSY 用煤的甲級優(yōu)質(zhì)指標(biāo)。

3.4 神東煤炭基地東勝礦區(qū)煤種的黏結(jié)性、結(jié)焦性較差，傳統(tǒng)煉焦原料煤份額少，其黏結(jié)性、結(jié)焦性基本可達(dá)到KSY 用煤甲級優(yōu)質(zhì)指標(biāo)。

3.5 在煤炭灰分方面，神東煤炭基地東勝礦區(qū)煤種從特低灰煤到高灰煤均有分布，有17%的煤種能達(dá)到KSY 用煤甲級優(yōu)質(zhì)指標(biāo)。