織金礦區(qū)高階無煙煤對(duì)煤氣化技術(shù)的適用性分析

胥國(guó)領(lǐng)

(中國(guó)石化長(zhǎng)城能源化工(貴州)有限公司，貴州 貴陽 550081)

我國(guó)的能源狀況是富煤貧油少氣[1]，2019年，煤炭消耗量占能源消費(fèi)總量的57.7%，是我國(guó)主體能源。煤的性質(zhì)因煤組成、成煤條件、煤階、硫含量、粒度千差萬別。煤氣化技術(shù)是煤炭清潔高效低碳轉(zhuǎn)化的龍頭，且氣化裝置投資在煤化工項(xiàng)目投資中比重較高。因此，根據(jù)煤質(zhì)選擇可靠、經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定的煤氣化技術(shù)是煤炭高效潔凈利用的關(guān)鍵。

1 織金礦區(qū)主采煤層煤質(zhì)特征

織金礦區(qū)煤層賦存較穩(wěn)定，以中灰、中高硫、特低磷、高發(fā)熱量高階無煙煤為主。主采煤層資源量約64億t，占總資源量的60.9%。勘探區(qū)內(nèi)可采煤層水分1.29%～3.50%，平均2.83%，屬低水分煤；灰分17.22%～24.23%，平均20.47%，勘探區(qū)中北部、西部和東部煤炭為中高灰煤；揮發(fā)分6.24%～22.04%，平均9.56%，以低揮發(fā)分煤為主；硫分2.06%～3.97%，平均3.06%，區(qū)內(nèi)以高硫煤為主；煤發(fā)熱量(Qgr，ad)在25.22～27.14 MJ/kg之間，平均26.25 MJ/kg；流動(dòng)溫度平均1 370 ℃，哈氏可磨指數(shù)偏低。織金礦區(qū)主要勘探區(qū)煤質(zhì)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 織金礦區(qū)主要勘探區(qū)煤層煤質(zhì)

數(shù)據(jù)來源：織金礦區(qū)地質(zhì)勘查資料。

2 主流煤氣化技術(shù)對(duì)原料煤煤質(zhì)的要求

不同煤氣化技術(shù)各有特點(diǎn)，對(duì)煤質(zhì)要求不盡相同，不存在適用于所有煤種的氣化技術(shù)。在選擇煤氣化技術(shù)時(shí)，首先要根據(jù)煤炭資源特點(diǎn)，綜合考慮煤質(zhì)特征，如粒度、灰分、灰熔融性溫度及黏結(jié)指數(shù)等技術(shù)指標(biāo)，選擇適宜的氣化技術(shù)。需要指出的是，技術(shù)適用性要高于技術(shù)先進(jìn)性。

目前，按照入爐煤在爐中過程動(dòng)態(tài)，主流煤氣化技術(shù)分為固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化。

2.1 固定床煤氣化技術(shù)

主要爐型有魯奇爐及其改進(jìn)型BGL爐。該爐型設(shè)計(jì)操作壓力2.5～7.0 MPa，入爐煤粒度基本要求13 mm以上，通過煤鎖加煤，爐上不裝攪拌耙和布煤器，熔渣通過爐下部排渣口排出，采用加石灰控制灰渣黏度。該氣化爐要求入料煤粒組成均勻、穩(wěn)定性高，對(duì)水分要求不嚴(yán)格[2]，魯奇氣化爐雖然具備冷煤氣效率高、氧耗低的優(yōu)勢(shì)，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，以粘結(jié)性不黏或弱黏原料煤為宜。對(duì)織金高階無煙煤，這種爐型不予考慮。該氣化技術(shù)對(duì)原料煤質(zhì)要求見表2。

表2 固定床氣化爐煤質(zhì)指標(biāo)

2.2 流化床煤氣化技術(shù)

流化床氣化技術(shù)主要有溫克勒(Winkler)、高溫溫克勒(HTW)、U-Gas、恩德爐粉煤氣化等。該爐型操作溫度一般為850～1 100 ℃，適用于反應(yīng)性好的褐煤及低階煙煤，對(duì)原煤灰分不敏感，可氣化30%～50%高灰煤，為經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行，大部分采用灰分25%以下煤；水分為5%～10%，水分高的煤需要預(yù)先干燥；采用干法排渣，灰的軟化溫度要求高于1 250 ℃，因相對(duì)氣流速較高，導(dǎo)致煤氣帶灰嚴(yán)重，粒徑小于1 mm的煤粉全部溢出爐外，并且加熱過程中會(huì)出現(xiàn)結(jié)焦問題，比如U-Gas要求原料煤的粒度上限不超過6～10 mm。恩德爐、灰熔聚等流化床工藝氣化壓力低小于1 MPa，單爐生產(chǎn)能力小，氣化效率低，煤氣中塵含量高，灰渣中殘?zhí)扛撸嫁D(zhuǎn)化率低，自動(dòng)化程度低，致使不適合大型化裝置[6]。織金礦區(qū)勘查區(qū)煤灰軟化溫度在1 260～1 410 ℃，個(gè)別生產(chǎn)礦原煤高達(dá)1 500 ℃，并且煤反應(yīng)活性較差，織金煤在該爐型低氣化溫度和低氣化壓力下，將會(huì)降低氣化效率，從而降低織金無煙煤利用價(jià)值，不建議采用。

2.3 氣流床煤氣化技術(shù)

該技術(shù)轉(zhuǎn)化效率最高，適用煤種比固定床和流化床范圍更廣泛。目前具有工業(yè)化的鍋爐有：水煤漿加壓氣化爐、Shell氣化爐、GSP氣化爐、HT-L航天爐、SE-東方爐、科林CCG氣化爐。

2.3.1 水煤漿氣化爐對(duì)煤質(zhì)要求

目前工業(yè)應(yīng)用較多的有GE水煤漿氣化爐、多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化爐和多元料漿氣化爐，這些氣化爐性能相當(dāng)，運(yùn)行指標(biāo)類似。分析該爐型適用性主要參照發(fā)熱量、灰熔點(diǎn)、灰分、水分、揮發(fā)分、含碳量、可磨指數(shù)等指標(biāo)。入爐原料煤種以中低變質(zhì)程度煙煤為主，要求灰分低于13%；水煤漿濃度大于60%；內(nèi)在水分小于8%；煤灰流動(dòng)溫度低于1 350 ℃，一般控制低于1 300 ℃；哈氏可磨指數(shù)在50～60以上。該爐型均采用熔融液態(tài)排渣。

因織金礦區(qū)各勘查區(qū)煤炭平均HGI為44.5，可磨性差；流動(dòng)溫度平均達(dá)到1 370 ℃，初步斷定礦區(qū)高階無煙煤不適用于水煤漿氣化爐。

2.3.2 粉煤加壓氣化爐對(duì)煤質(zhì)要求

粉煤加壓氣化技術(shù)是干煤粉由氣化劑夾帶入爐，進(jìn)行并流式燃燒和氣化反應(yīng)(火焰反應(yīng))，反應(yīng)溫度較高(1 300～1 600 ℃)，反應(yīng)時(shí)間很短(1～10 s)，入爐煤粒度小于0.1 mm。煤種適應(yīng)性強(qiáng)，除褐煤外均可氣化，但高灰熔點(diǎn)煤需要加入助熔劑。該爐采用膜式水冷壁結(jié)構(gòu)，氣化爐及燒嘴使用壽命長(zhǎng)。工藝指標(biāo)先進(jìn)，煤耗、氧耗低，氣化效率高，冷煤氣效率可達(dá) 80%～83%。工業(yè)運(yùn)行的爐型主要有：廢鍋流程的Shell爐；激冷流程的GSP爐、HT-L航天爐、SE-東方爐、科林爐。

粉煤加壓氣化技術(shù)由于反應(yīng)溫度高，能氣化反應(yīng)活性差，灰熔點(diǎn)高的高階無煙煤。對(duì)入爐煤一般性要求為：灰分控制在12%～25%，灰熔點(diǎn)FT小于1 400 ℃，經(jīng)干燥后水分小于2%，入爐煤粒度一般大于90 μm和小于5 μm的均控制在10%以下。主流工業(yè)化的粉煤加壓氣化爐及主要?dú)饣瘏?shù)匯總于表3。

表3 主要工業(yè)化粉煤加壓氣化爐煤質(zhì)要求及主要?dú)饣瘏?shù)

對(duì)織金礦區(qū)勘查區(qū)內(nèi)主要煤質(zhì)指標(biāo)是：灰分在17.22%～24.23%；水分為1.29%～3.50%；揮發(fā)分平均為9.56%；礦區(qū)各勘查區(qū)平均發(fā)熱量26.25 MJ/kg；平均硫分大于3%；煤灰熔融點(diǎn)多為1 260～1 410 ℃，少數(shù)為1 500 ℃；可磨指數(shù)HGI整體偏低，屬于典型“三高”無煙煤。

從織金礦區(qū)無煙煤的煤質(zhì)指標(biāo)上看，通過洗選和混配的方式可把入爐煤灰分控制在12%～25%，采用添加助熔劑可把灰熔點(diǎn)降低到1 400 ℃以下。由于貴州煤的活性差、高灰熔點(diǎn)、高灰分特性，氣化爐只能通過高達(dá) 1 500～1 650 ℃的溫度運(yùn)行才能有效解決其排渣問題，因此燒嘴、水冷壁等關(guān)鍵裝備的耐高溫性能是確保實(shí)現(xiàn)貴州煤高效轉(zhuǎn)化的必要條件。綜上，按照煤種適應(yīng)性原則，織金高階無煙煤適用于粉煤加壓氣化爐。

3 結(jié) 論

通過對(duì)主流煤氣化技術(shù)分析，粉煤加壓氣化技術(shù)在技術(shù)性能指標(biāo)上優(yōu)于固定床氣化技術(shù)、流

化床氣化技術(shù)，粉煤加壓氣化技術(shù)對(duì)織金礦區(qū)未來高階無煙煤清潔高效利用更為有利。考慮到織金礦區(qū)煤層狀況，首先應(yīng)盡量選定單一、穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)煤源；其次隨著礦區(qū)開發(fā)煤質(zhì)變化，選擇配煤摻燒技術(shù)，將當(dāng)?shù)馗呋摇⒏吡颉⒏呋胰埸c(diǎn)煤與其他原料煤混合，以減少入爐煤指標(biāo)波動(dòng)而造成停車情況；盡可能減少助熔劑石灰石使用量，以降低運(yùn)行成本。