浅谈水煤浆气化用煤_顾文龙.pdf

Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry2023 年 4 月第 46 卷第 2 期Apr.2023Vol.46 No.2中国石化镇海炼化分公司（简称镇海炼化）两套煤焦制氢装置由中石化宁波工程有限公司完成基础工程设计及详细工程设计并承建，采用中国石化与华东理工大学联合开发的 SE-东方炉平推流水煤浆气化技术；两套煤焦制氢装置气化炉均为两开一备，其中第 1 套煤焦制氢装置单炉日投煤量（全煤工况）约 1 100 t，第 2 套煤焦制氢装置单炉日投煤量（全煤工况）约 2 600 t，镇海炼化年耗煤量最高可达270104 t；针对原料煤需求量日益增加，选择合适的水煤浆气化用煤显得至关重要，已然演变为煤化工行业重要的研究方向。1原料煤性能分析1.1原料煤组成煤是煤化工行业最基础、最核心、最根本的原料。从大类上说我国煤炭分为无烟煤、烟煤和褐煤，通常以反映煤化程度的干燥无灰基挥发分（Vdaf）来区分无烟煤与烟煤，采用透光率（PM）来划分褐煤中的小类，并区分褐煤与烟煤。使用煤化程度的干燥无灰基挥发分和反映黏结性的指标（黏结指数GR.L、胶质层最大厚度 Y 和奥阿膨胀度 b）对烟煤进行细分，可分为长焰煤、不黏煤、弱黏煤、1 2 中黏煤、气煤、气肥煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤和贫煤等1。烟煤的煤化程度高于褐煤而低于无烟煤，由于烟煤热值较高，成浆性较好，灰含量适中，是理想的气化用煤。煤焦制氢装置所用的神优 2、陕煤 1 和马泰壕等原料煤均是烟煤中的长焰煤。不同原料煤工业分浅谈水煤浆气化用煤顾文龙（中国石化镇海炼化分公司，浙江宁波 315200）摘要：对于不同地区、不同变质程度的原料煤，各种性质均有所不同。通过考察数十种原料煤，筛选出了可用于水煤浆气化用煤的原料煤，并成功试烧了马泰壕、陕煤 1、尔林兔、印尼煤等新煤种。从原料煤组成、水煤浆成浆性、原料煤灰分熔融性和黏温特性、气化经济性等方面展开评价。关键词：原料煤成浆性熔融性黏温特性气化经济性收到日期：2022-05-27；收到修改稿日期：2023-01-30。作者简介：顾文龙，男，1992 年 12 月出生，本科学历，工程师，2015年毕业于广东石油化工学院化学工程与工艺专业，现在中国石化镇海炼化分公司生产部从事化工工艺技术工作。联系电话：[phone]；E-mail：。析、元素分析如表 1 所示。从气化技术角度来看，水煤浆加压气化技术可以适用于多种类型煤种，但从经济运行角度来看，水煤浆气化装置对原料煤有如下要求：低内水，内水含量越低越有利于制备高浓度水煤浆，内水含量大于 10%的煤种是不经济的；高挥发分、可磨指数，挥发分在高温下会呈气态逸出，促使煤颗粒破碎增大气化反应比表面积，一般来说可磨指数、挥发分含量越高的原料煤气化特性越好；低灰分，灰分低不仅有利于气化，还可减少粗细渣的产生量，一般控制灰分含量小于 12%；低灰熔点，灰熔点低可适当降低气化炉反应温度，提高有效气产量，选择灰熔点小于 1 300 的煤质有利于经济稳定运行；煤质稳定性，煤质稳定性是运行的关键，尽可能选择服务年限中期、储量大、地质条件相对好、煤层厚的矿点。1.2水煤浆成浆性分析水煤浆的成浆性对水煤浆的运输、气化燃烧和储存具有重要影响，水煤浆作为一种固液非均相流体，其流变特性主要分为 3 种类型：非牛顿流体中的胀塑性流体，表观黏度随剪切速率的增大而增大；非牛顿流体中的假塑性流体，表观黏度随剪切速率的增大而减小；牛顿流体，浆体的表观黏度不随0742023 年第 46 卷剪切速率的增加或降低而变化。在实际的生产中，希望制备出的水煤浆为假塑性流体，即在输送和气化燃烧时，表观黏度较低，有利于浆体的雾化和减少管道中的阻力，而在静置时表观黏度较高，有利于浆体的稳定。不同原料煤制备的水煤浆成浆性分析结果如表 2 所示。表 1不同原料煤工业分析和元素分析数据煤种M，%Mad，%Aad，%Vad，%Qnet，ar （MJkg-1）HGIFCad，%Had，%Clad，%St.ad，%神优 217.46.476.8632.2523.705454.424.251000.39马泰壕13.45.7610.8932.1423.915251.214.181620.50陕煤 112.24.048.7333.0925.245854.144.30920.66陕煤 217.97.456.3629.1823.246257.014.121140.33欣昱煤12.93.8711.9430.7524.026453.444.136550.34尔林兔17.18.085.9630.8023.975455.164.022000.37印尼煤20.68.064.7541.7121.405345.484.62800.18石拉乌素11.15.426.9631.4426.115056.184.031420.84张家堡11.26.117.6833.9025.535252.314.16790.37榆林山东12.43.157.8634.8723.915954.124.722602.00哈萨克斯16.67.213.2040.5823.675549.014.722100.43宝平湾15.06.166.4030.8824.625356.564.12600.22呼和乌素14.06.356.2829.8224.865657.554.071050.35满来梁15.69.724.7532.4624.257253.073.87600.25特低灰15.87.706.0430.1524.346356.114.141600.38榆树湾4.43.258.5433.6427.246454.574.40800.77注：M 收到基水分含量，Mad 空干基水分含量，Aad 空干基灰分含量，Vad 空干基挥发分含量，Qnet，ar 收到基低位热值，HGI 哈氏可磨指数，FCad 空干基固定碳含量，Had 空干基氢元素含量，Clad 空干基碳元素含量，St.ad 空干基硫元素含量。表 2不同原料煤制备的水煤浆成浆性分析煤种添加剂量，%表观黏度 （mPas）实测浓度，%24 h 析水率，%流动性稳定性神优 21.578059 2.0A无沉淀马泰壕1.561359 1.0A无沉淀陕煤 11.575459 1.0A无沉淀陕煤 21.5114059 1.5B无沉淀欣昱煤1.593059 1.5A-无沉淀尔林兔1.574059 1.0A无沉淀印尼煤1.5118059 2.0A-无沉淀石拉乌素1.564059 0.5A无沉淀张家堡1.589059 1.0A无沉淀榆林山东1.562259 1.0A无沉淀哈萨克斯1.566859 1.5A无沉淀宝平湾1.582659 1.0A无沉淀呼和乌素1.570659 1.0A无沉淀满来梁1.5145059 3.5C软沉淀特低灰1.570559 1.0A无沉淀榆树湾1.561559 2.0A无沉淀注：根据煤浆的流动情况，采用 A、B、C、D 表示煤浆的流动特性。A 稀流体，连续流动；B 流体，连续流动；C 稠流体，间歇流动；D 不流动；并用“+”“-”表示更细小的差别。由表 2 可以看出，不同原料煤制备的水煤浆成浆性还是有较大差异的，其中陕煤 2、满来梁原料煤成浆性较差，不适宜作为水煤浆气化用煤。1.2.1煤质对成浆性能的影响2原料煤煤质对水煤浆的成浆性影响较大，一般认为变质程度低的煤所制水煤浆的成浆性比变质程度高的煤所制水煤浆的成浆性好，主要原因是变质程度低的煤灰分含量较高，灰分通过影响煤表面的亲水性和电化学性质来改善水煤浆成浆性。原料煤因产地不同其成分有很大的差异，如内水、挥发分、氧碳比以及煤粒表面的性质也对成浆性有一定的影响。1.2.2粒度级配对成浆性能的影响粒度分布是影响水煤浆浓度和流变性的决定因素，高性能的水煤浆浆体要求粗颗粒间的孔隙能被细颗粒所填充，细颗粒间的孔隙又能被更细的颗粒所填充，一级一级继续下去，减少孔隙所吸收的水分，使颗粒孔隙中的水尽可能以“自由水”的形式存在，让煤粉颗粒流动起来，起到润滑降低水煤浆黏度的效果。当体系中有足够宽的粒度分布时，粗颗粒与细颗粒在较为适宜的范围内配合，颗粒的镶嵌程度提高，从而达到较为紧密的堆积，使得粒子间的团聚作用降低，故而体系具有充分的镶嵌作用和悬浮075第 2 期顾文龙.浅谈水煤浆气化用煤稳定性，继而得到高浓度的水煤浆3。1.2.3添加剂对成浆性能的影响水煤浆添加剂类型可以分为阳离子型、阴离子型和非离子型。其中阳离子型添加剂由于少量不足以改善表面呈负电性煤颗粒的分散性，因此不常用。非离子型分散剂大多数为聚合度不同的环氧乙烷聚合物，成本较高，因此也未被普遍应用。目前阴离子表面活性剂是最常用的，其中包括萘磺酸盐、木质素磺酸盐、腐殖酸磺酸盐、聚羟酸盐、聚苯乙烯磺酸盐等，其主要的影响机理是提高煤粉的亲水性、增强煤粒间的静电斥力和改善空间隔离位阻效应，使浆体具有良好的流变性和稳定性4。通常水煤浆稳定性随水煤浆添加剂加入比例的增加而提高。在生产过程中不仅要保证水煤浆流变性和稳定性指标，还要尽可能降低生产成本，因此煤焦制氢装置水煤浆添加剂（木质素磺酸盐）加入量（干基比）一般控制在0.15%0.20%。1.2.4制浆工艺对成浆性能的影响水煤浆 pH 值会影响到煤粒与添加剂的相互作用，一般随着 pH 值的增大，可在一定程度上改善水煤浆的成浆性。水煤浆理论最佳 pH 值应大于 10，但煤焦制氢装置实际 pH 值一般控制在 7.07.5，主要是水煤浆在大煤浆槽内相对停留时间较短（12 h左右），成浆性可满足生产要求。同时提高水煤浆 pH值增加了生产成本，从效益上是不划算的，因此在实际生产中没有对水煤浆 pH 值进行特别的要求。随着温度的升高，水煤浆黏度逐渐降低，根据斯托克斯公式，颗粒的沉降速率也会随之加快，从而使水煤浆的稳定性降低5。因此在水煤浆制备过程中，温度不宜控制过高，最佳的操作区间为 4070，高于 70 表面水分易挥发，当浓度较高时容易析出硬沉淀，对水煤浆成浆性造成影响。2原料煤灰分熔融性和黏温特性分析2.1灰分熔融性分析煤灰熔融性是煤灰在高温下达到熔融状态的温度，是气化用煤的一个重要指标。不同原料煤灰分组成、熔融特性参数如表 3 和表 4 所示。表 3不同原料煤灰分组成煤种SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOTiO2SO3P2O5K2ONa2O神优 239.814.39.2421.601.340.799.940.191.000.93马泰壕45.315.76.9819.200.910.846.680.081.591.34陕煤 130.317.112.1022.602.980.899.341.162.05陕煤 231.717.07.7318.601.111.0117.700.120.663.24欣昱煤44.618.78.7013.201.721.079.420.120.821.39尔林兔31.115.710.6026.500.281.0311.700.770.89印尼煤39.817.018.309.722.720.903.890.251.484.04石拉乌素28.917.415.3023.601.380.7910.400.340.89张家堡30.127.48.4620.601.260.757.731.191.38榆林山东38.921.221.305.101.091.424.561.051.332.49哈萨克斯34.316.79.9421.502.020.8910.500.210.971.93呼和乌素38.119.47.2514.801.811.0111.800.060.883.96特低灰24.014.38.6636.000.790.7111.700.420.251.76表 4不同原料煤灰分熔融特性参数煤种硅铝比酸性氧化物含量，%碱性氧化物含量，%酸碱比流动温度 神优 22.7854.934.11.611170马泰壕2.8961.830.12.061200陕煤 11.7748.340.91.181140陕煤 21.8649.731.31.591230欣昱煤2.3964.425.82.491260尔林兔1.9847.839.01.231170印尼煤2.3457.736.31.591110石拉乌素1.6647.141.51.131190张家堡1.1058.332.91.7711600762023 年第 46 卷气流床气化炉均采用液态排渣，一般要求气化炉内操作温度超过灰渣流动温度 50100，使灰渣处于熔融状态，以便灰渣能以液态形式排出气化炉。考虑到气化炉耐火材料、测温元件的寿命及运行的经济性，气化炉内的温度一般控制在 1 2001 300。生产中通常采用煤灰的流动温度（FT）作为判断依据，以判断某一煤种是否适用于气流床气化技术，而煤灰的流动温度主要取决于煤灰的成分。按流动温度可将煤灰分成 5 级：低于或等于1 150 为低流动温度灰；1 1501 300 的是较低流动温度灰；1 3001 400 的是中等流动温度灰；1 4001 500 的是较高流动温度灰；高于1 500 的是高流动温度灰6。从气流床操作温度来看，低流动温度灰、较低流动温度灰的原料煤均可作为气化用煤，表 4 中的原料煤均满足要求。2.2灰分黏温特性分析黏温特性是黏度与温度之间的变化关系，熔融煤灰按黏温曲线的变化趋势可分为：玻璃渣、塑性渣和结晶渣。玻璃渣黏度随温度的变化而缓慢变化，气化操作空间大利于液态排渣。结晶渣的黏度随温度的变化会有一个突变点，导致黏度瞬间增大，不适合用于液态排渣的气化炉。塑性渣则介于两者之间，在实际生产中操作不易控制，容易堵塞下降管，同时会形成大量玻璃丝状灰渣，而玻璃丝状灰渣具有黏结剂的作用，使得细灰黏结在激冷室内，对工况稳定运行造成影响。在生产中控制煤灰黏度过低，将导致炉砖表面挂渣减少，炉砖受气流侵蚀加剧。黏度控制的较高，易导致渣口、激冷室和破渣机等部位堵渣。无论煤灰黏度过高或过低都会影响气化炉的安全稳定运行，因此一般煤灰液态排渣最佳黏度控制在1525 Pas7。从实际运行情况来看，黏度控制在545 Pas 也可满足生产要求。不同原料煤灰分的黏温特性如表 5 所示。表 5不同原料煤灰分黏温特性项目特性数值临界点神优 2 温度1 4621 3751 3191 2421 2041 1861 1731 1651 1541 190神优 2 黏度（Pas）0.76.510.416.728.042.759.073.199.618.4马泰壕温度1 5111 4611 4131 3561 3051 2661 2411 2231 1971 291马泰壕黏度（Pas）0.53.86.813.222.235.252.467.899.215.4陕煤 1 温度1 3501 3101 2701 2401 2101 1801 1401 1101 0901 070陕煤 1 黏度（Pas）1.82.74.16.08.913.725.143.666.3101.0陕煤 2 温度1 4001 3701 3401 3001 2901 2801 2701 2681 2651 268陕煤 2 黏度（Pas）6.78.211.320.725.735.664.780.012180.0欣昱煤温度1 4751 4201 3801 3401 3301 3201 3181 3151 3101 343欣昱煤黏度（Pas）17.627.544.776.788.911312013515273.9尔林兔温度1 4001 3501 3001 2701 2401 2101 2001 1951 1921 195尔林兔黏度（Pas）2.74.47.410.415.123.731.251.610951.6印尼煤温度1 3801 3401 3001 2701 2301 1901 1501 1101 0701 080印尼煤黏度（Pas）0.91.42.75.28.716.224.838.762.147.1石拉乌素温度1 3701 3201 2701 2301 1901 1601 1301 1201 1151 120石拉乌素黏度（Pas）3.03.43.84.55.87.715.043.376.043.3张家堡温度1 3901 3501 3191 2421 2041 1861 1731 1651 1541 170张家堡黏度（Pas）4.26.510.416.728.042.759.073.199.682.3榆林山东温度1 3751 3401 3001 2701 2301 2001 1701 1601 1401 140续表 4不同原料煤灰分熔融特性参数煤种硅铝比酸性氧化物含量，%碱性氧化物含量，%酸碱比流动温度 榆林山东1.8361.531.31.961160哈萨克斯2.0551.936.41.431190呼和乌素1.9658.528.72.041150特低灰1.6839.047.50.821260注：硅铝比 SiO2 Al2O3，酸碱比（SiO2+Al2O3+TiO2）（Fe2O3+CaO+MgO+K2O+Na2O）。077第 2 期顾文龙.浅谈水煤浆气化用煤续表 5不同原料煤灰分黏温特性项目特性数值临界点榆林山东黏度（Pas）0.75.68.010.917.024.737.543.762.362.2哈萨克斯温度1 3801 3401 3001 2701 2301 2001 1901 1801 1751 180哈萨克斯黏度（Pas）2.43.75.78.113.824.731.646.970.646.9呼和乌素温度1 3871 3601 3401 3201 3001 2901 2801 2701 2501 265呼和乌素黏度（Pas）20.723.226.932.640.646.159.063.694.970.6特低灰温度1 4301 4001 3801 3601 3501 3401 3301 3201 3101 316特低灰黏度（Pas）0.40.94.59.913.723.730.337.087.545.0从表 5 可以看出，神优 2、陕煤 1、尔林兔、张家堡等原料煤灰分黏度随温度变化比较缓慢，是典型的玻璃渣，满足水煤浆气化用煤要求。欣昱、特低灰原料煤灰分黏度随温度降低存在一个突变点，是典型的结晶渣，因此不适合作为水煤浆气化用煤。3不同原料煤经济性分析3.1原料煤气化特性原料煤气化特性主要由转化率、二氧化碳反应性、气化反应速率、气化活性指数等参数共同影响。一般煤的气化反应历程主要分为 3 个阶段：初期的干燥阶段，主要由煤焦中的水分蒸发所致；热解反应段，主要是内部有机质的热解与挥发分脱除；碳气化反应段，主要是煤焦与气化剂发生气化反应。碳转化率、反应速率与反应温度的关系分别如图 1、图 2 所示。图 1碳转化率与温度关系图 2反应速率与温度关系3.2原料煤经济性比对镇海炼化前、后共考察了数十种原料煤，并成功试烧了神优 2、马泰壕、陕煤 1、尔林兔、印尼煤等新煤种，其经济性指标如表 6 所示。表 6不同原料煤经济性参数项目神优 2马泰壕陕煤 1尔林兔印尼煤气化温度 1 2401 2801 2301 2501 270气化压力 MPa6.06.06.06.06.0煤浆浓度，%5858585858碳转化率，%98.197.598.098.098.3吨氢煤耗 t8.688.808.708.719.49吨氢氧耗 t6.467.086.406.536.78在同样煤浆浓度下，碳转化率越高、吨氢煤耗、氧耗越低的原料煤经济性越好，表 6 中原料煤经济性由高到低依次为：神优 2、陕煤 1、尔林兔、马泰壕、印尼煤。4结束语1）原料煤变质程度低、粒度级配合理、一定范围内提高水煤浆添加剂比例、水煤浆温度、pH 值都能在一定程度上改善水煤浆成浆性。2）气化炉内温度一般控制在 1 2001 300，低流动温度灰、较低流动温度灰的原料煤均可作为水煤浆气化用煤。3）熔融煤灰可以分为玻璃渣、塑性渣和结晶渣，液态排渣黏度一般控制在 545 Pas，其中欣昱、特低灰原料煤灰分的黏度随着温度变化存在一个突变点，属于典型的结晶渣，不适合作为水煤浆工艺的气化用煤。4）从经济运行角度分析，应选用低内水、低灰分、低灰熔点、高挥发分、高可磨指数、高热值、且煤质稳定的原料煤。镇海炼化成功试烧的原料煤经济性由高到低依次为：神优 2、陕煤 1、尔林兔、马泰壕、印尼煤。参考文献1侯侠，张伟伟.煤化工科普知识 M.北京：中国石化出版社，0782023 年第 46 卷A STUDY ON THE COAL AS FEEDSTOCK FOR COALWATER SLURRY GASIFICATIONGu Wenlong（SINOPEC Zhenhai Refining and Chemical Branch，Ningbo 315200）Abstract：Rude coal from different regions with different metamorphic grade has different performance on various aspects.Investigating dozens of rude coal，about ten species were selected as the feedstock for coal water slurry gasification.Burnt test was carried out on new coal species，such as Matai Trench，Shanmei No.1，Erling Rabbit，and Indonesian coal，and evaluation was made for these species from aspects of rude coal composition，coal water slurry formation property，fusibility and viscosity temperature property，and economic benefit.Key words：rude coal；slurry formation；fusibility；viscosity temperature property；economic evaluation 2013：9-12.2赵忠霞.不同煤质对水煤浆成浆性能的影响 J.内蒙古科技与经济，2016，35（23）：92-94.3马乐波.宁煤集团气化用水煤浆原料煤筛选与制浆工艺研究 D.上海：华东理工大学，2016.4吴晓华，潘卫东，杨纯.水煤浆添加剂对 3 种煤的流动性能研究 J.煤炭学报，2011，36（3）：491-496.5柴志方，张瑞杰，姬文心.温度对水煤浆稳定性影响的研究 J.矿业科学学报，2018，3（4）：392-397.6亢万忠.煤化工技术 M.北京：中国石化出版社，2017：158-162.7李德侠.煤灰熔融及黏温特性的研究 D.上海：华东理工大学，2012.中国沥青行业发展现状1）产能情况。一直以来，我国沥青供给方面始终处于产能过剩的状态，一方面各大沥青生产企业产能不断扩张，另一方面，新增沥青产量跟不上产能扩张速度。据统计，2022 年中国沥青产能为 7 100 万吨 年，较 2021 年沥青产能增加 480 万吨 年，沥青产能延续上升趋势，但产能增加趋势与 2021 年基本持平。山东省是我国沥青的生产大省，其产能一直居于各地区沥青产能最高位。据统计，2022 年山东省占我国沥青总产能的 35%。2）产量情况。2020 年疫情影响，旅游、出行受限，油品需求萎缩，加上沥青生产利润猛增，部分炼厂纷纷转产沥青，中国沥青产量迅速增加，远高于往年同期水平，但 2021 年石油沥青利润收窄，加之原料供应、市场资金等因素制约，炼厂生产积极性有所减弱。据统计，截至 2022 年我国石油沥青产量下降至 3 849.40 万吨，同比下降 30.66%。3）进出口情况。我国是石油沥青净进口国，近年来进口依存度呈现波动下滑态势，据统计，截至 2022年我国石油沥青进口量为 293.29 万吨，同比下降 8.59%，进口金额为 15.43 亿美元，同比增长 19.08%，出口量为 56.3 万吨，同比增长 1.87%，出口金额为 3.98 亿美元，同比增长 55.85%。我国石油沥青主要进口国多为亚洲地区国家，主要国家为韩国、新加坡、伊拉克、阿联酋，其中韩国是中国沥青产品第一大进口国，2022 年进口量为 162.42 万吨，占比 55.38%。4）表观需求量。据统计，20192022 年我国沥青表观消费量呈波动趋势，2021 年我国沥青表观消费量为 6 361.5 万吨，截至 2022 年我国沥青表观需求量为 4 668.39 万吨，同比下降 26.61%。5）价格走势。据统计，2020 年 5 月开始，国内沥青价格进入上升通道，2022 年 5 月涨至最高点 4 694元 吨，随后有所下降，但仍处于高位。截至 2022 年 12 月国内沥青价格为 3 710 元 吨，相比 2021 年底累计增长 16.29%。本刊