煤的成分對Shell煤氣化工藝操作的影響分析

萬國鵬，宋 強

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

煤的成分對Shell煤氣化工藝操作的影響分析

萬國鵬，宋 強

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

河南龍宇煤化工有限公司的氣化裝置使用的是先進的粉煤加壓Shell氣化爐，其采用以煤粉為原料、液態形式排渣、氣流床加壓氣化的工藝技術。雖然Shell氣化爐對煤種適應性較廣，對高灰分與高灰熔點(<1 500℃)的煤種都能很好地氣化，但長期運行實踐表明，煤種的變化對Shell氣化爐的穩定、經濟運行存在不同程度的制約，特別是煤的灰分含量、灰熔融性、灰渣黏溫特性、水分、灰分、元素含量、發熱量等，其指標的高低對Shell氣化爐的運行影響較大，只有通過配煤，找出適合氣化爐的煤種，才能保證長周期、穩定運行。

Shell粉煤加壓氣化；氣流床；煤質；煤氣化裝置

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.009

河南龍宇煤化工有限公司的氣化裝置使用的是先進的煤粉加壓Shell氣化爐，其采用以煤粉為原料、液態形式排渣、氣流床加壓氣化的工藝技術。雖然Shell氣化爐對煤種適應性較廣，對高灰分與高灰熔點(<1 500℃)的煤種都能很好地氣化，但長期運行實踐表明，煤種的變化對Shell氣化爐的穩定、經濟運行存在不同程度的制約，特別是煤的灰分、灰熔融性、灰渣粘溫特性、水分、元素含量、發熱量等，其指標的高低對Shell氣化爐的運行影響較大。

河南本地煤種是無煙煤，其特點是灰分高、灰熔點高，若全用本地煤生產，短時間內就會出現氣化爐積灰嚴重、氣化爐被迫降負荷等情況，不能長周期、高負荷運行。要解決此問題，只有研究煤的成分，通過配煤調成合適的煤種，才能應對不同工況下氣化爐所適應的煤質的要求。但是煤的成分十分復雜，其中包括多種有機物和礦物質等混合物，并且許多有機物無法詳細分析確定。

因此，本文就煤的成分對Shell煤氣化工藝操作的影響進行分析，利用不同煤種的特性，配成Shell氣化爐裝置所能接受的煤種，從而降低運行成本，進一步提高煤的綜合利用價值，使Shell氣化爐達到安、穩、長、滿、優運行的目的。

1 Shell煤氣化工藝對煤水分的要求

1.1 煤的水分及組成

煤的水分主要由游離水和結晶水兩部分組成，其中游離水又可分為外在水分和內在水分。外在水分主要是指附著于煤的表面，被煤表面的大毛細管所吸附的水分，把煤存放在空氣中時，外在水分很容易蒸發。內在水分主要是“隱藏”在煤的毛細孔吸附作用下，常溫狀態下僅靠自身條件很難通過蒸發去除，只能利用外在熱量將溫度升到一定程度時才能去除。結晶水是指煤中礦物質所含的結晶水或化合水，一般需要加熱到200℃以上才能析出，因此不作過多考慮。

1.2 煤的水分對Shell氣化爐操作的影響

Shell氣化爐對所使用的煤粉有一定的要求：煤粉中水含量要求低于2%，如果過高會造成煤粉流化不好結塊，使煤粉加壓輸送系統在錐底處架橋，造成下料不暢，同時會因煤粉粘連而造成輸送困難；另外，煤粉水分過高會影響煤線速度計的穩定性，易造成速度計波動較大、煤流量不穩定、跳燒嘴等現象，操作不當時造成煤燒嘴偏燒，影響氣化爐的穩定運行。原料煤中的水分含量一般都比較高，過量的水分必須在制備合格煤粉的過程中除去；因此，原料煤中的水分含量越高(尤其是外在水分含量高)，在磨煤干燥系統中就會消耗過多的燃料氣和低壓氮氣來保證合格的煤粉水分含量。煤過于干燥，煤中水分降低到1%以下，會導致煤粉流動性極差，輸送不太好，并形成橋架，給氣化爐的穩定運行也會造成一定的困難。

總之，原料煤中的水分含量越低越有利(尤其是外在水分含量低)；河南龍宇煤化工有限公司氣化二廠要求原料煤中ω(水分)一般不超過13%，否則會給煤粉的磨制和輸送帶來“麻煩”。

2 Shell煤氣化工藝對煤灰分含量的要求

2.l 煤灰分及其意義

煤的灰分是指在煤中各種礦物質完全燃燒的過程中，經過一系列分解、化合反應后剩余的殘物。煤的灰分主要包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、Na2O、K2O等酸性和堿性物質，因為是由許多化合物組成的混合物，所以沒有固定的熔點，只有相當寬的熔融溫度范圍。總之，煤灰分在一定溫度下只能形成共熔體。

煤灰的熔融特性和煤灰的化學成分之間有著非常密切的關系，(SiO2+Al2O3+TiO2)/(FeO+CaO+MgO+K2O+Na2O)的比值稱為酸堿比，煤的灰熔點主要由煤中的酸堿化合物含量決定，煤中堿性化合物多，能形成一種低熔點的結晶礦物高溫鈉長石及多孔棉絮狀的低溫共熔物，使灰熔點降低；反之，酸性化合物多，灰熔點就高。除灰熔點外，煤灰熔化后的黏度與氣化溫度的關系也是重要指標。煤灰黏度指煤灰在熔融狀態下流動阻力的量度，單位Pa·s。黏度過大，流動性差，不宜排渣；黏度太小，流動性過大，不易控制，高溫合成氣對氣化爐水冷壁沖蝕加大，影響氣化爐的使用壽命。對需要液態排渣形式的氣化爐來說，煤灰熔融時的黏度大小直接影響到液態形式排渣操作的難易程度。在正常情況下，采用液態排渣的氣化爐要求灰黏度為25Pa·s時的溫度不能高于1 425℃，為了判斷某種煤是否適用于此種工藝的氣化爐，就必須分析確定煤的灰渣黏度及灰熔點。

2.2 煤的灰分含量對Shell氣化爐操作的影響

2.2.1 灰分的高低對Shell氣化爐操作的影響

Shell氣化爐采用液態排渣，灰分熔融時要消耗大量的能量，且灰分不參與化學反應，其含量的大小和組成對氣化反應本身影響較小，但灰分含量高的煤在氣化過程中產生的灰渣量就會增加，勢必帶走更多的顯熱，會加大比煤耗、比氧耗，使煤的冷煤氣效率降低。煤中灰分含量越高，會加大干法除灰的負荷，對除灰系統的陶瓷濾芯也是一種考驗。同時，煤灰中某些成分含量過高會影響煤灰的熔融特性，當氣化爐爐溫低時，渣水處理系統中固含量就會增加，造成水處理系統負荷增加，處理難度增大，設備管線和閥門磨蝕加劇；嚴重時渣中結大塊，造成氣化爐渣口堵塞，迫使氣化爐停車，影響氣化爐的正常運行。Shell氣化爐采用水冷壁結構，外涂澆注料來保護水冷壁，利用熔融液態渣被水冷壁吸熱而形成固態渣層，不被固化的液態渣順著固態渣層往下流至渣口并掉入渣池，這樣使得膜式壁與爐膛分隔，實現“以渣抗渣”，從而保護氣化爐水冷壁免受損壞。如果煤中灰分含量太低，就會造成水冷壁表面渣量少、渣層薄，從而使高溫合成氣和熔渣侵蝕水冷壁，不利于對水冷壁的保護，影響氣化爐使用壽命。

河南龍宇煤化工有限公司根據氣化裝置長期運行的情況總結經驗：無水基煤灰含量是25.5%(收到基23.5%)時的煤種為最理想。如果煤灰含量偏高，限制氣化爐高負荷運行的瓶頸將是除灰和除渣系統的處理能力，氣化爐合成氣冷卻器積灰風險也會增加。

2.2.2 煤的灰熔點對Shell氣化爐操作的影響

由于Shell氣化爐屬于氣流床氣化、液態排渣，為確保灰分在熔融的狀態下順利排渣，就必須保證熔融的渣黏度適中，有適宜的流動性，氣化爐操作溫度要高于其流動溫度100～150℃。所以，灰分的成分對所要求的Shell煤氣化操作溫度起主導作用。如果煤的灰熔點過高，勢必要求提高氣化爐操作溫度，熔融的渣就會帶走更多的顯熱，增加了比煤耗、比氧耗；提高爐溫，使合成氣中的二氧化碳含量增加，一氧化碳含量下降，使煤的有效氣成分降低，影響氣化爐運行的經濟性；當氣化爐溫度操作過高時，若激冷效果不合適，會增加氣化爐合成氣冷卻器積灰、結垢的危險性。所以，選用灰熔點低的煤對Shell氣化爐運行有利。當使用灰熔點較高的煤時，可以通過增加助熔劑的量，調整煤灰的酸堿比例來實現改善其黏溫特性的目的，從而保證氣化爐的正常運行；或者根據配煤情況配成適合氣化爐所需煤種灰熔點相近的煤。對助熔劑及加入量的選擇，可根據預期選用的煤種，分別向煤中加入不同比例石灰石(堿性化合物)來化驗煤的灰熔點，結合煤灰組成來分析實驗結果，最終確定助熔劑的加入量。添加助熔劑將會增加建設投資和運行成本，但操作時可以降低氣化爐溫度，從降低比氧耗和比煤耗這兩方面來得到彌補。該廠加入助熔劑的量是根據煤灰分中小于25%的助熔劑比例(利用灰分中ω(CaO)定義)來設計的，如果石灰石加得過多，可能形成高灰熔點的硅酸鈣，反而不利于灰熔點的降低。煤的灰熔點并非隨著堿性化合物的增多而降低，而是與酸性和堿性化合物的關系呈現一種正態分布曲線的關系，即先降低，達到一個最小值后又會增加。因此，在添加助溶劑時要嚴格根據煤質分析進行，如果加得過多，灰熔點反而會增高，還會使水處理系統結垢的速度大大加快，增加了運行難度。

總之，煤中的灰分含量要求較嚴，最佳灰分含量為12%～25%，這樣既能保證氣化爐膜式水冷壁上正常掛渣，又能使氣化裝置的運行成本和對設備管道的磨損控制在合理范圍內，避免氣化爐合成氣冷卻器積灰、結垢；煤中硅鋁比是影響氣化爐合成氣冷卻器積灰的關鍵因素之一，該廠要求指標為1.8

3 Shell工藝對煤中固定碳揮發分的要求

煤的固定碳含有多種元素，每種元素對Shell煤氣化工藝都有一定的影響，固定碳含量是判斷煤質好壞的重要指標，固定碳含量越高，表明煤中的有效成分就越高，越有利于提高氣化爐的氣化率和有效氣產量。該廠所用的煤種固定碳含量大于55%，可增加氣化裝置的經濟運行性。

煤的揮發分是指煤在加熱后揮發出的有機物質及分解的產物，它是判斷煤變質程度及種類的重要依據。正常情況下，煤中的揮發分含量越高，表明煤的變質程度越低，煤的化學活性越高，反應活性越強，有益于煤的氣化反應，進而提高碳的轉化率；但煤若長期存放，當夏季氣溫較高或者煤倉在沒有氮氣保護下而伴熱未及時停用，尤其是煤粉接觸到空氣時，易發生燜燒甚至自燃，所以，揮發分高于35%的煤種在儲存時要特別考慮發生燜燃的問題。

總之，固定碳含量越高，產氣率越高，有效氣量就高；一般選擇大于50%的煤種，這樣更有利于降低生產成本。

揮發分含量越高，越利于氣化反應，增加煤氣產率；但是不利于煤的儲存，該廠要求的指標不高于35%。

4 結語

從理論上分析，Shell煤氣化工藝能夠氣化的煤種較廣，但還有不少煤種不適宜，特別是河南本地灰分高、灰熔點高的無煙煤，只有研究、了解了煤的組成，通過配煤方式來解決。我們先通過煤的工業分析來了解所用煤的成分，然后再確定如何選煤配煤，試驗煤種的主要煤質分析數據見表1，以本地煤為基礎的配煤試驗數據見表2。

表1 試驗煤種的主要煤質分析數據 %

表2 以本地煤為基礎的配煤試驗數據

若氣化爐只用本地煤，在氣化爐運行不到2天的時間內，13TI0018出口溫度將上升20℃；氣化爐合成氣冷卻器所產過熱蒸汽的出口溫度將從364℃降至335℃(降低了約30℃)。以上現象表明：氣化爐合成氣冷卻器在慢慢積灰。根據氣化爐要求的煤的工業分析數據，配煤為本地煤：外地煤=4∶1，添加適量石灰石降低其灰熔點，氣化爐用這個煤種運行沒有出現以上現象，成功解決了制約氣化爐長周期、高負荷運行的瓶頸，氣化爐運行良好。

由上述分析可知，通過對煤的工業分析，找出適合氣化爐的煤種來保證長周期、穩定運行是可以實現的。

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行業信息

總投資約171.5億元的神華煤制烯烴升級項目獲核準

神華集團在2017年8月7日晚間公告稱，神華包頭煤制烯烴升級示范項目獲得內蒙古自治區發展和改革委員會的核準。項目主要建設規模為75萬t/a的煤制聚烯烴裝置，其中，聚乙烯35萬t/a、聚丙烯40萬t/a，項目總投資約171.5億元。

公告顯示，項目單位為該公司全資子公司神華包頭煤化工有限責任公司(簡稱包頭煤化工公司)，建設地點為包頭市九原工業園區。目前，包頭煤化工公司已投產運營的煤制聚烯烴裝置規模約為60萬t/a，其中，聚乙烯30萬t/a、聚丙烯30萬t/a，這也奠定了如今神華集團在包頭煤制烯烴升級項目中的基礎。作為國內最大的煤炭企業，神華集團旗下的包頭煤化工公司此前已經建成了世界最大的煤制烯烴項目。

神華集團決定啟動包頭煤制烯烴升級示范項目，將現有工廠規模能力擴大，升級示范項目產能規模為200萬t/a煤制甲醇及70萬t/a聚烯烴。

(本刊通訊員)

Analysis of Influences of Coal Composition on Operation of Shell Coal Gasification Process

WAN Guo-peng，SONG Qiang

(Henan LongYu Coal and Chemical Co.，Ltd.，Yongcheng Henan 476600，China)

Gasification equipment used by Henan LongYu Coal and Chemical Co.Ltd is Shell’s advanced pressurized pulverized-coal gasifier.Shell’s gasifier uses pulverized-coal as raw material，slagging by liquid form，and adopts entrained flow bed for pressure gasification.Although Shell’s gasifier can be widely used in gasification of different types of coal，presenting excellent gasification of coals with high ash content and high ash fusion point (<1500℃)，long-term practice reveals that the change of coal type (especially the change of coal’s ash content，ash fusibility，water and ash content，calorific value and so on，which have great impact on stable operation of Shell gasifier) limits the stability of Shell gasifier and economic operation with different effects.Only by finding suitable coal type for the gasifier can the gasifier operate stably and sustainably.

Shell pressurized pulverized-coal gasifier；entrained flow bed；coal property；gasification equipment

萬國鵬(1985年—)，男，河南寧陵人，2014年畢業于中國石油大學化學工程與工藝專業，現主要從事化工工藝管理工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.009

TQ547.7

B

1004-8901(2017)04-0032-04

2017-04-27