神東礦區(qū)氣化用煤的煤灰黏溫特性及調控試驗研究

王 東 升

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

目前，煤炭在我國一次能源結構中仍占有主要地位，即在碳中和、碳達峰的背景下，煤炭的使用方式將由傳統(tǒng)的燃料改變?yōu)槿剂吓c原料并重，煤炭的清潔高效利用日益受到重視，而以煤氣化技術為龍頭的現(xiàn)代煤化工技術是煤炭清潔高效利用的重要途徑之一[1]。氣流床氣化技術是先進的煤氣化工藝之一，具有煤種適應性廣、氣化效率高、單爐處理量大等特點[2-3]。氣流床氣化爐采用液態(tài)排渣工藝，灰渣的黏溫特性直接影響排渣性能以及氣化爐內壁掛渣的厚度，進而影響氣流床氣化爐長周期安全穩(wěn)定運行。為了保證氣流床氣化爐液態(tài)排渣過程的順暢，一般以黏度為5～25 Pa·s 對應的溫度區(qū)間作為氣化爐的溫度操作區(qū)間，在此溫度區(qū)間內灰渣表現(xiàn)為較好的流動性。

氣流床氣化爐主要以優(yōu)質的低變質程度煙煤為原料。神東礦區(qū)蘊藏著儲量豐富的優(yōu)質低階煤資源，除了作為優(yōu)質的動力煤銷售以外還可用作化工原料煤，在灰分、硫分、反應性、供應穩(wěn)定性等方面也具有較大的優(yōu)勢[4]。但部分神東礦區(qū)氣化用煤的煤灰黏溫特性不理想，易造成氣化爐排渣不暢與能效下降，因此，研究神東礦區(qū)氣化原料煤的煤灰黏溫特性及進行調控試驗有助于為典型氣化爐的穩(wěn)定運行提供基礎數據支撐。

1 礦物質對煤灰特性影響及煤灰特性調控

1.1 煤灰特性概述

表征煤灰在高溫下熔融、流動等特性的指標包括煤灰熔融性和煤灰黏溫特性。其中，煤灰熔融性是燃料用煤和化工用煤的主要關注指標，可以此初步判斷煤在燃燒轉化過程中灰的軟化、熔融和結渣特性等，但不能較好地表征煤灰在熔融過程中的流動特性[5]。而煤灰黏溫特性能夠較好地表征煤灰在不同溫度熔融狀態(tài)下的流動性質。

煤中無機礦物質在氣化爐中的高溫演化行為決定運行參數和生產的穩(wěn)定性[6]。煤中礦物質在經歷一系列復雜的物理化學變化后，以熔融狀的液態(tài)渣在重力作用下沿氣化爐壁排出，煤灰的熔融特性和黏溫特性直接影響氣化裝置的穩(wěn)定性。

根據不同溫度下煤灰黏度的變化特征，灰渣形態(tài)一般可分為玻璃渣、塑性渣和結晶渣[7]。在氣流床氣化操作溫度區(qū)間內，爐渣最好處于玻璃渣形態(tài)，且操作溫度區(qū)間范圍通常在50～150 ℃[8]；若在操作溫度區(qū)間內爐渣屬于塑性渣或結晶渣，則隨著操作溫度的波動，爐渣的黏度變化較劇烈，不利于氣化爐的穩(wěn)定生產[9]，且由此降低氣化爐的碳轉化效率，甚至造成停爐事故，給企業(yè)造成巨大的損失。

1.2 煤中礦物質對煤灰特性的影響

煤中的礦物質是除游離水分以外的煤中所有無機物的總稱。目前，在煤中發(fā)現(xiàn)的礦物質種類已超過一百種，其中絕大多數含量較少，主要成分通常是黏土礦物、硫化物礦物、碳酸鹽礦物、硫酸鹽礦物和氧化物礦物等。礦物質經過燃燒或氣化反應后主要以灰渣的形式呈現(xiàn)[10]?；以?種比較復雜的無機混合物，在大多數研究中以及工業(yè)應用上均以氧化物的形式表示煤灰化學成分，一般包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、MnO2、Na2O、K2O、SO3等[11]。

煤灰熔融溫度是氣化用煤的1項重要質量指標，其溫度高低取決于煤灰的組成及其含量[12]，目前大量對煤灰熔融溫度的研究建立在其化學成分的基礎上。按煤灰化學成分的自身特性可將其分為酸性氧化物(SiO2、Al2O3和TiO2)和堿性氧化物(Fe2O3、CaO、MgO、Na2O和K2O)，其中酸性氧化物通常起到提高煤灰熔融溫度的效果，而堿性氧化物則通常起到降低煤灰熔融溫度的作用[13]。

近年來，國內外學者就煤灰化學組成與煤灰黏溫特性的相互關系進行大量研究。通常認為，SiO2在一定范圍內能增加灰渣黏度。由于SiO2具有四面體結構，易與其他四面體結構相結合而形成煤灰渣熔體中的網絡結構，因此煤灰中的SiO2含量越高，煤灰渣熔體中能形成的網絡結構就越大，熔體內部質點運動的內摩擦力也就越大。Al2O3是典型的兩性化合物，既可以是網絡結構的形成體，也可是網絡結構的修飾體，但視組分含量而定。

不同價態(tài)的Fe系氧化物對煤灰黏度的作用不同：在弱還原性氣氛中，F(xiàn)e系氧化物多以FeO形態(tài)存在，起到降低灰黏度的作用；在氧化性氣氛下，鐵元素以Fe3+形式存在，可以與硅氧四面體中的氧原子相連，增強網絡體系，起到網絡形成者的作用，增強灰黏度。堿金屬和堿土金屬氧化物(CaO、MgO、Na2O、K2O)總體上能起到降低煤灰黏度的作用。因而不同煤灰成分對于煤灰黏度的影響不能僅進行孤立分析，在研究時應充分了解各個成分相互之間的影響。

1.3 煤灰特性調控

配煤和添加助熔劑是調控煤灰特性的主要方法[14]。添加助熔劑(如CaCO3)能夠起到調整煤灰特性的作用，由于助熔劑多為無機物，因而會增加原料煤的灰分、降低氣化效率及發(fā)生助熔劑混合不均勻等問題。同時配入不同礦物組成的原料煤以改變煤中礦物組成和含量，從而改善煤灰特性、減少氣化爐的排渣量、降低氧耗、實現(xiàn)煤質互補及優(yōu)化產品結構[15]。為了保障氣流床氣化爐順利排渣與工況穩(wěn)定，有必要針對原料煤的煤灰特性以及礦物組成而采用適當的技術手段對其進行調控，從而提高氣化爐的轉化效率。

2 煤灰黏溫特性及調控試驗研究

2.1 原料煤

選擇神東礦區(qū)典型的化工原料煤即氣化用煤A和煤B，分析其煤質特點及煤灰特性，通過試驗研究配煤對煤灰特性調控的可行性。

2.2 主要實驗設備

煤灰黏溫特性測試設備采用自行研制的煤灰高溫黏度測定儀(圖1)，可采用間歇法或連續(xù)法進行測試，測試設備、測試條件及測試結果均能滿足國家標準GB/T 31424—2015《煤灰黏度測定方法》的要求。另外，試驗還采用掃描電鏡、灰熔融性測定儀及其他指標的測試設備。

圖1 煤灰高溫黏度測定儀Fig.1 High temperature viscosity tester for coal ash

2.3 結果分析

(1)煤A、煤B的測試結果見表1～4，表明2種煤均具有特低灰、特低～低硫、中高揮發(fā)分的特點。其中，煤C為煤A、煤B按1：1配比的配合煤，煤A的灰分、全硫含量略低于煤B，煤A、B對二氧化碳的反應性均較高。

表1 神東礦區(qū)氣化用煤的工業(yè)分析及全硫測定結果Table 1 Industrial analysis and total sulfur of gasification coal in Shendong mining area

表2 神東礦區(qū)氣化用煤對二氧化碳的反應性Table 2 Coal reactivity to carbon dioxide of gasification coal in Shendong mining area

(2)在煤灰特性方面，煤A、煤B的灰熔融性溫度均較低，煤灰熔融性流動溫度(FT)低于1 250 ℃，與5～25 Pa·s 對應的溫度區(qū)間均超過120 ℃，基本符合液態(tài)排渣氣化工藝對原料煤的要求。① 煤灰成分。SiO2含量通常較高，Al2O3含量略低，酸性氧化物含量偏低，而堿金屬氧化物中CaO、Fe2O3含量均比較高，此為2種煤煤灰熔融性溫度均較低的原因，煤A灰中CaO含量達到27.56%，其單獨存在時熔融溫度較高(在2 570 ℃左右)。當煤灰中CaO含量達到一定數值時，煤灰的熔融溫度反而會有所提高，此為煤A的煤灰熔融性溫度高于煤B的主要原因。② 煤灰黏溫特性。煤A和煤B的煤灰黏溫曲線以塑性渣為主，煤B的灰黏度略高于煤A，因前者的SiO2與Al2O3總含量相對較高。煤B在1 320 ℃時對應的黏度發(fā)生突變，據分析是煤灰中CaO較高之故。因CaO具有稀釋熔渣的作用，但CaO達到一定量后則過多的Ca2+游離在硅鋁酸鹽的熔體網絡中易發(fā)生結晶，導致煤灰黏度增加。

(3)利用掃描電鏡礦物分析煤A和煤B中的礦物類型和分布形態(tài)。煤中主要礦物包括黏土礦、方解石、黃鐵礦、菱鐵礦和石英，其中黏土礦以伊利石為主，高嶺石含量較少。煤B中的伊利石含量略高于煤A的相應含量，煤A中的方解石含量略高。

神東礦區(qū)氣化用煤中的典型礦物主要涵括伊利石、方解石、菱鐵礦、黃鐵礦，其分布形態(tài)如圖2所示，其中伊利石多以典型的片層狀或致密塊狀獨立賦存，方解石通常填充于煤的裂隙或有機質組分中的結構孔隙中，菱鐵礦以塊狀、結核狀賦存為主，黃鐵礦則多為填充于孔隙的無定形狀態(tài)。

煤A和煤B按照1∶1比例混配后，其煤灰成分、煤灰黏溫特性的測試結果分別見表3、4，黏溫曲線變化如圖3所示。配合煤的煤灰成分和煤灰熔融性溫度總體上介于煤A和煤B之間，配合煤的煤灰黏溫特性與煤B相比則有所改善，25 Pa·s對應的溫度下降幅度較大，氣化操作窗口溫度區(qū)間變大。

表3 神東礦區(qū)氣化用煤的煤灰成分及煤灰熔融性溫度Table 3 Coal ash composition and fusibility temperature of gasification coal in Shendong mining area

表4 神東礦區(qū)氣化用煤的煤灰黏溫特性Table 4 Coal ash viscosity-temperature characteristics of gasification coal in Shendong mining area

圖3 原煤及配合煤的黏溫曲線變化Fig.3 Variation of viscosity-temperature curve of raw coal and blended coal

3 結 論

(1)神東礦區(qū)典型氣化用煤屬于優(yōu)質的侏羅紀煤，具有特低灰、低硫、中高揮發(fā)分、反應性高等特點，煤灰熔融性溫度均較低，煤A和煤B的煤灰黏溫曲線以塑性渣為主，與5～25 Pa·s對應的溫度區(qū)間均在120 ℃以上，符合液態(tài)排渣氣化工藝對煤灰黏度的要求。

(2)神東礦區(qū)典型氣化用煤中的主要礦物包括黏土礦、方解石、黃鐵礦、菱鐵礦和石英，其中黏土礦物以伊利石為主，高嶺石含量較少。其中伊利石多以典型的片層狀或致密塊狀獨立賦存，方解石通常填充于煤的裂隙或有機質組分中的結構孔隙中，菱鐵礦以塊狀、結核狀賦存為主，黃鐵礦多為填充于孔隙的無定形狀態(tài)。

(3)煤灰黏溫特性主要受煤中礦物質類型、含量以及賦存形態(tài)影響。我國各產煤地區(qū)的成煤時代、成煤條件千差萬別，煤灰熔融性和煤灰特性也存在較大差異，通過配入不同礦物組成的煤能夠改善原煤的煤灰特性。為了保障氣流床氣化爐順利排渣及工況穩(wěn)定，對神東礦區(qū)典型氣化用原料煤的煤灰特性以及礦物組成采用適當的技術手段對其進行調控，可調控煤灰特性及提高氣化爐的轉化效率，從而增加企業(yè)的經濟效益。