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(guó)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(duì)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(diǎn)。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(xiàn)對(duì)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(jì)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(jì)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(duì)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(duì)煤質(zhì)的要求都有其共性，下面將結(jié)合神東3個(gè)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(duì)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(duì)較低，O 含量低，則氣化時(shí)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(guò)高，會(huì)在氣化爐內(nèi)生成過(guò)多的氨，將使得氣化水系統(tǒng)PH 過(guò)高引起嚴(yán)重結(jié)垢，如圖1所示；另外，煤氣中的氨濃度過(guò)高易造成變換汽提系統(tǒng)碳銨結(jié)晶堵塞和腐蝕；對(duì)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(shí)際生產(chǎn)中，氣化和變換系統(tǒng)的腐蝕主要來(lái)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(jì)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(dòng)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(guò)高會(huì)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(shí)，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(guò)高，尤其是超過(guò)0.05%時(shí)，會(huì)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(guò)高，也會(huì)對(duì)裝置造成腐蝕，而且其進(jìn)入甲醇合成系統(tǒng)會(huì)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(guò)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(huì)獲得更高的碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率；對(duì)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?yàn)閺臒靽姵龅拇箢w煤粉或水煤漿液滴會(huì)來(lái)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(shí)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(diǎn)的差異，使得這兩種氣化技術(shù)對(duì)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(duì)氣化影響相對(duì)較大。

對(duì)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?yàn)楦咚咳菀自斐擅悍壑g的粘連團(tuán)聚，無(wú)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(dòng)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(chē)，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(chǔ)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(duì)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(duì)于水煤漿氣化，在碳燃燒之前先經(jīng)歷水的蒸發(fā)過(guò)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?chē)纬梢粚铀ぃ?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(gè)過(guò)程。對(duì)于水煤漿氣化，碳的燃燒用時(shí)是揮發(fā)分熱解時(shí)長(zhǎng)的數(shù)倍。揮發(fā)分增加，在氣化爐爐膛極短暫的停留時(shí)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(guò)低，會(huì)使水煤漿氣化燃燒速率和碳轉(zhuǎn)化率下降。對(duì)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?yàn)閾]發(fā)分的高低對(duì)氣化過(guò)程的影響不大；但揮發(fā)分對(duì)制粉單元影響較大，揮發(fā)分過(guò)高的煤種在制粉過(guò)程的干燥環(huán)境中易發(fā)生自燃和爆炸，通過(guò)往制粉單元通入惰性氣體控制氧含量在10%以?xún)?nèi)以確保安全，一般要求，揮發(fā)分不超過(guò)35%即可。

3.3 灰渣特性

煤中的礦物質(zhì)，幾乎不參與氣化過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)，但其在氣化過(guò)程中形成的灰渣對(duì)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(gè)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(chēng)為堿酸比，見(jiàn)式 （1）：

對(duì)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(jì)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(shuō)明其灰渣為堿性，堿性灰渣對(duì)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(shí)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(duì)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(diǎn)，灰分才能形成熔融態(tài)的灰渣通過(guò)渣口流出氣化爐燃燒室；在氣化過(guò)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(guò)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(duì)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)氣化爐在正常灰分下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，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(gè)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(duì)水冷壁的直接沖刷，但是當(dāng)灰分太低時(shí)，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(duì)于灰分過(guò)低的煤種，可采用飛灰循環(huán)的方式來(lái)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(duì)于水煤漿氣化，原則上灰分越低越好；灰分太高會(huì)對(duì)耐火磚造成沖刷性侵蝕，且會(huì)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(guò)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(duì)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(wú)法有效冷卻氣化爐產(chǎn)出的高溫合成氣，對(duì)下游形成了嚴(yán)重的安全隱患；一般地，對(duì)于激冷式粉煤氣化而言，對(duì)煤灰渣的結(jié)渣性適應(yīng)性較強(qiáng)，而對(duì)于廢鍋式粉煤氣化，結(jié)渣性不宜過(guò)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(duì)于粉煤氣化，適宜的煤種灰熔點(diǎn)比較寬，為1250～1550 ℃，低灰熔點(diǎn)煤在粉煤氣化爐上氣化時(shí)存在轉(zhuǎn)化率偏低、無(wú)法掛渣等問(wèn)題；高灰熔點(diǎn)煤種只有在添加助熔劑時(shí)方可進(jìn)行氣化，否則勉強(qiáng)氣化會(huì)影響氣化爐內(nèi)件的使用壽命。粘溫特性與灰熔點(diǎn)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(shí)又可順利排渣。對(duì)于粉煤氣化，依據(jù)煤種的粘溫特性曲線(xiàn)來(lái)選擇合適的氣化溫度很重要。氣化溫度過(guò)低時(shí)，灰渣粘度高，渣流動(dòng)不暢，容易堵塞渣口，另外低溫操作碳轉(zhuǎn)化率過(guò)低；當(dāng)氣化溫度過(guò)高，則會(huì)導(dǎo)致氣化爐膜式水冷壁上的液態(tài)掛渣流動(dòng)速度過(guò)快，液態(tài)掛渣的厚度減薄，氣化爐熱損就會(huì)隨之增加，其氧耗、煤耗也會(huì)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(duì)氣化爐內(nèi)件的沖刷磨蝕還會(huì)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(shí)，首次掛渣建議選用灰熔點(diǎn)相對(duì)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(guò)程中因氣化溫度波動(dòng)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(xiàn) （見(jiàn)圖5），對(duì)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(duì)于水煤漿氣化，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最佳的粘度控制在15～40Pa·s之間；在實(shí)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(zhǎng)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(shí)，煤種3煤灰粘溫特性曲線(xiàn)較陡，要使其煤灰粘度在15～40Pa·s之間，對(duì)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(shí)灰渣粘度高，渣流動(dòng)不暢，容易堵塞渣口；當(dāng)氣化溫度高于1350℃時(shí)，煤種3 煤灰粘溫特性曲線(xiàn)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(dòng)）。溫度太低，碳轉(zhuǎn)化率過(guò)低，甲烷含量也高；過(guò)高溫度，尤其是超過(guò)1400℃以后，耐火磚熱蝕加快。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)氣化溫度高于1400℃時(shí)每提高20℃，爐磚的熔蝕速率就會(huì)提高一倍，一般原則上要求水煤漿氣化用煤灰熔點(diǎn)低于1300℃為宜。煤種3氣化操作溫度窗口過(guò)小并不適于水煤漿氣化，煤種1 灰熔點(diǎn)為1390℃也不適合，煤種2 灰熔點(diǎn)適中，灰分不高，適宜粘溫特性對(duì)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(gè)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(jí)配、煤質(zhì)等；除內(nèi)水外，灰分對(duì)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(guò)13%，灰分過(guò)高，會(huì)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(duì)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(shí)，除了考慮煤質(zhì)的適應(yīng)性外，還要綜合考慮煤源、煤價(jià)及運(yùn)輸條件等因素的影響。

（3）在氣化裝置的運(yùn)行過(guò)程中，做好來(lái)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(dòng)才能確保裝置的長(zhǎng)期滿(mǎn)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(guó)神華煤制油有限公司水煤漿加壓氣化煤種評(píng)價(jià)試驗(yàn)報(bào)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(yàn)評(píng)價(jià)報(bào)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(shí)用全書(shū) ［M］.合肥：安徽文化音像出版社，2004

［4］ 吳秀章，武興彬，胡先君等.煤制低碳烯烴工藝與工程 ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014

［5］ 吳國(guó)祥 .煤質(zhì)變化對(duì)Shell粉煤氣化工藝的影響 ［J］.大氮肥，2011 （34）

［6］ S Kajitani，S Hara，H Matsuda.Gasification rate analysis of coal char with a pressurized drop tube furnace［J］.Fuel，2002

［7］ 王天驕.德士古氣化爐模型研究 ［D］.清華大學(xué)，2001

［8］ 沈浚 .合成氨 ［M］ .北京：化學(xué)工藝出版社，2001，

［9］ 胡長(zhǎng)勝.原料煤的性質(zhì)對(duì)Shell氣化工藝操作的影響［J］.大氮肥，2009（5）

［10］ 黃千鈞.以煤灰堿酸比與硅鋁比的乘積作為動(dòng)力用煤結(jié)渣指數(shù)的探討 ［J］.動(dòng)力工程，2004（3）