典型气流床煤气化技术对煤质的要求探讨.pdf

引言煤气化技术是提高煤炭利用的原子经济性，实现煤炭高效清洁利用的重要基础，也是发展现代煤化工的必经途径。气流床气化工艺由于其气化效率高、原料适用范围广而被广泛应用1。典型的气流床气化技术主要分为两类，一类是水煤浆气化技术，如德士古（Texaco）水煤浆加压气化技术和四喷嘴对置式水煤浆气化技术，气化炉内部采用耐火砖结构；另一类是干煤粉气化技术，如壳牌（Shell）、航天炉和神宁炉干煤粉气化技术等，气化炉内部采用的是水冷壁结构2。虽然气流床气化炉对煤种适应性强，但作为煤气化技术的原料，煤质情况会直接影响气化炉的运行状况、气化后的气体成分、气化炉的使用周期，以及灰水处理系统的工艺状况等。不论哪种类型工艺技术，原料煤的性质都对气化装置本身的稳定运行和气化效率产生重要影响，掌握好不同煤种的配比能降低氧耗、能耗，提高气化效率，带来很大经济效益。本文主要针对上述两种典型的气流床气化技术（耐火砖水煤浆和水冷壁干煤粉气化），从煤质的水分、灰分、灰熔融性温度、黏温特性等方面进行分析，探讨不同气化工艺对原料煤的煤质要求。1煤质对气流床气化的影响1.1水分煤中水分包括外表水和内水。内水是煤的内在水分,即煤的结合水,以化学态形式存在于煤中。对水煤浆气化而言，外表水分不稳定易造成煤浆浓度波动，外表水突然增大,煤浆浓度降低,气化效率降低；外表水突然减少，煤浆浓度升高、黏度增大。内水是影响成浆性能的关键因素，内水越高，成浆性能越差，流动性愈不好。根据实际运行经验，水煤浆气化用煤的水分应不高于 18%，内水不高于 8%。对干煤粉气化而言，为节约干燥系统能耗，一般要求原料煤的水分也不高于 18%，内水不高于 5%，特别是使用烟煤的干煤粉气化技术，要求原料煤的内水不高于 2%，以便于煤粉的干燥和气力输送3。1.2灰分灰分是不直接参加气化反应的惰性物质，同时灰中的某些金属离子对气化反应能起到正向催化作用3，但不论是对固态或液态排渣的气化技术，灰分的存在往往是影响气化装置稳定运行的重要因素。对煤气化而言，煤中灰分含量高，则有效成分就少，送入气化炉同体积的煤浆或煤粉，灰分高的煤产摘要气化反应过程与煤的性质和组成有着密切的关系，具体到某一种气化技术，往往对煤质有某些特定的要求。结合宁夏某煤化工基地典型的耐火砖水煤浆及水冷壁干煤粉气化装置用煤实际情况，并在查阅相关文献的基础上，分析了两种典型的气流床气化技术对煤质水分、灰分、灰熔融性温度、黏温特性的指标要求；根据分析结果，探讨了陕西子长地区几种典型煤样的单独用煤建议和配煤方案，为潜在的煤气化项目提供用煤指导。关键词气流床；水煤浆气化；干煤粉气化；煤质；配煤文章编号：1005-9598(2023)-05-0042-03中图分类号：TQ54文献标识码：B典型气流床煤气化技术对煤质的要求探讨马乐波1，米治平2，武彬2，古杰2，匡建平1（1.宁夏神耀科技有限责任公司，宁夏银川 750011；2.延安能源化工（集团）子长化工有限责任公司，陕西延安 717300）收稿日期：2023-05-27第一作者：马乐波（1985），男，回族，湖南隆回人，高级工程师，硕士，2008 年本科毕业于湖南科技大学应用化学专业，现从事煤气化技术相关工作，E-mail：。DOI：10.19889/ki.10059598.2023.05.010引用格式：马乐波，米治平，武彬，等.典型气流床煤气化技术对煤质的要求探讨J.煤化工，2023，51（5）：42-44.第 51 卷第 5 期2023 年 10 月煤 化 工Coal Chemical IndustryVol.51No.5Oct.2023第 51 卷第 5 期气量少，气化效率低；灰分过高时，由于部分碳的表面会被灰分覆盖，氧气与碳表面的接触面积减少，使碳转化率降低；另外，大量灰的熔化要消耗煤在气化反应过程中的反应热，增加了装置的能耗。根据参考文献4介绍，在同样反应条件下，灰分增加 1%，氧耗增大 0.7%0.8%，煤耗增大 1.3%1.5%。对于使用耐火砖的水煤浆气化，煤浆在气化炉内燃烧后，灰分以熔融状态沿砖壁流下，灰渣中某些组分浸入砖中，砖中有效成分 Cr2O3会熔入灰渣中随渣一起排出。灰渣量越大，砖浸蚀、磨损越快，灰渣成分不同，对砖的浸蚀速率不同，含钙量高的灰渣对炉砖的浸蚀较严重。通过对宁东某水煤浆气化装置的用煤分析，得到一般灰分宜控制在 8%12%之间。对于干煤粉气化，由于水冷壁采用以渣抗渣的原理，如原料煤中灰分过低，气化炉的热损大，且不利于水冷壁的抗渣保护，甚至形成不了挂渣，影响气化炉的使用寿命；而灰分一味偏高，则气化炉产生的渣量大，对气化炉渣水处理系统的影响大，管道和设备的磨蚀也随之加快，严重时会影响气化炉的正常运行。因此，对于干煤粉气化装置，一般原料煤的灰分宜控制在 13%20%，有利于装置的经济稳定运行。1.3灰熔融性温度煤的灰熔融性温度是指煤灰在高温条件下软化、熔融、流动时的温度特性，通常用变形温度（DT）、软化温度（ST）、半球温度（HT）、流动温度（FT）这四个特征温度表示。煤的灰熔融性温度也是动力用煤和气化用煤的重要指标，对于以液态方式排渣的气流床气化技术，需重点关注灰的流动温度，操作温度必须超过此温度，以保证炉内灰渣的流动特性5。气化炉的操作温度需根据灰渣的黏温特性及煤的化学活性而定。对水煤浆气化而言，一般最佳操作温度为高于煤灰熔融性温度 50 70。提高操作温度有利于碳转化及排渣顺利；但操作温度过高，会影响耐火砖寿命。根据文献资料，温度在最佳操作温度以上每增加 44，耐火砖的熔蚀速率增加一倍6。因此选择灰熔融性温度低的煤种，可有效地降低操作温度，延长炉砖的使用寿命。通过对宁东某水煤浆气化装置的用煤分析，得出其用煤的灰熔融性温度一般控制在 1 300 以下。对干煤粉气化而言，气化炉操作温度与煤灰熔融性温度也有直接的关系，其会影响水冷壁的热负荷、碳转化率、冷煤气效率等。如原料煤灰熔融性温度高，在炉温升高至 1 550 以上的情况下，渣层变薄，水冷壁上的销钉和捣打料的损坏将大大加剧，增加了水冷壁热损。根据运行经验，通过调节氧煤比，控制气化炉炉膛温度高于煤灰熔融性温度 150 左右，可使渣层光滑，气孔少，渣层结构致密牢固。1.4灰渣黏温特性煤灰的黏温特性（灰渣黏度与温度的关系）也是煤气化用煤的重要因素，尤其对液态排渣的气流床气化技术至关重要。灰渣的黏度不是一个定值，其与气化炉操作温度有一定的关系。操作温度升高，灰渣黏度降低，反之，灰渣的黏度会升高，因此，还需要根据不同煤种的黏温特性，选择不同的气化温度。对于内衬耐火砖的水煤浆气化，灰渣黏度不同，对炉砖的浸蚀速率不同。灰渣黏度低时，砖表面的灰渣保护层易剥落，灰渣直接冲刷耐火砖表面，磨蚀加快。只有在合适黏度范围内才能在炉砖表面形成一定厚度的灰渣保护层，以保护炉砖，延长炉砖的寿命，一般灰渣黏度宜控制在 25 Pa s40 Pa s7。同样对于水冷壁干煤粉气化，煤灰的黏温特性是水冷壁实现以渣抗渣的基础，正是利用煤灰在不同温度下的黏度变化，得以在水冷壁表面挂上一层固定渣层，以阻挡后续灰渣对水冷壁盘管的机械冲刷和高温冲击。在炉温不变的情况下，入炉煤质的变化会引起炉内熔渣流动性的变化，渣层会减薄或增厚，容易引起水冷壁烧损或气化炉下渣口堵渣，一般宜控制在5 Pa s25 Pa s 之间8-9。2陕西子长相关煤种的气化配煤建议陕西省子长矿区位于陕北黄土高原中部，行政区划隶属陕西省延安市宝塔区、子长市、延川县及榆林市子洲县、横山区。子长矿区的煤炭资源属于稀缺煤种，主要作为炼焦配煤、气化用原料煤、动力用煤，矿井均配套建设选煤厂，原煤全部入洗，选煤方法多采用“重介+浮选”联合工艺。目前，子长全市设计煤炭生产能力 1 820 万 t/a，围绕煤炭综合利用和产业升级，子长市也正在布局各项煤炭综合利用项目，其中包括现代煤化工、煤气化项目。陕西子长煤气化相关潜在煤源的煤质分析见表 1。从表 1 及气化用煤对煤质的要求情况来看：（1）根据耐火砖水煤浆气化的用煤要求，在暂不考虑成浆性能的情况下（需要开展成浆性试验），单独用煤时能满足要求的只有 HC-J 煤。但 HC-J 煤的 FT 超过了1 300，在使用时建议添加少量助熔剂以降低气化操作温度。（2）根据水冷壁干煤粉气化的用煤要求，在考虑单独用煤的情况下，能满足要求的有 GT-Z 和马乐波等：典型气流床煤气化技术对煤质的要求探讨43-2023 年煤 化 工Discussion on coal quality requirement from typical entrained flow bed coal gasification technologyMa Lebo1,Mi Zhiping2,Wu Bin2,Gu Jie2,Kuang Jianping1(1.Ningxia Shenyao Technology Co.,Ltd.,Yinchuan Ningxia 750011,China;2.Yan忆an Energy&Chemical(Group)Zichang Chemical Co.,Ltd.,Yan忆an Shaanxi 717300,China)AbstractThe gasification reaction process was closely related to the property and composition of coal.For the specificgasification technology,it often had some specific requirements for the coal quality.Combined with the actual coalconsumption in typical refractory brick coal water slurry and water-cooled wall dry pulverized coal gasification units in a coalchemical base in Ningxia,and on the basis of consulting relevant literatures,the analysis was made on the requirements of twotypical entrained flow bed gasification technologies for coal quality in terms of its moisture,ash content,ash fusion temperatureand viscosity-temperature characteristics.According to the above analysis,the individual coal use suggestions and coalblending schemes of several typical coal samples in Zichang area of Shaanxi Province were discussed,thus providing coal useguidance for potential coal gasification projects.Key wordsentrained flow bed;coal water slurry gasification;dry pulverized coal gasification;coal quality;coal blendingNJ-Z 煤，NJ-Z 煤灰分和灰熔融性温度稍低，相对更为适合。（3）JJ-Z 和 CC-Z 煤源由于灰熔融性温度太高，不论对何种气化技术，都不适合单独使用。在考虑配煤的情况下，可为气化装置用煤和经济性运行提供更多可选的方案：（1）可采用 GT-Z 煤与HC-J 煤进行复配，两种煤复配的质量比在 5:5 左右；采用 NJ-Z 煤与 HC-J 煤进行复配，两种煤复配的质量比在 7:3 左右，以上两种配煤方案均可使复配后气化用煤灰分控制在 20%以内，满足干煤粉气化装置在较好的状态下运行。（2）可以采用 JJ-Z 煤、CC-Z 煤与HC-J 煤进行复配，以降低最终用煤的灰分和灰熔融性温度。当然，所有单独煤及配煤的比例确定后，还需要再进行黏温特性分析，最终根据炉型和气化工艺确定合适的气化操作温度。3结语气化炉的稳定运行始终是煤化工企业追求的关键目标，气化炉的运行受原料煤的影响很大，而煤本身又是一个复杂多变的混合物，因此，在选择煤气化技术时，需要根据当地煤的煤质特性，考虑将不同矿井的煤源进行复配的煤样作为气化用煤。在设计阶段对煤质进行充分的取样分析，确保装置建成后煤源点和煤质的相对稳定，有利于后期装置的稳定和经济运行。参考文献：1 郑先勇，董翔飞，冯松，等.第二代典型煤气化技术J.广州化工，2009，37（6）：55-58.2 陈家仁.加压气流床煤气化工艺的发展现状及存在问题J.煤化工，2006，34（6）：1-7.3 郭树才.煤化工工艺学M.2 版.北京：化学工业出版社，2006.4 张玉柱，黄斌.宁东煤在煤气化工艺中的应用分析.煤化工J.2013，41（4）：22-25.5 高聚中，韩伯奇.水煤浆加压气化煤种评价模型J.煤化工，1998，26（2）：17-23.6 李聿营.Texaco 煤气化装置长周期运行影响因素分析及对策J.齐鲁石油化工，2013，41（4）：291-297.7 张继臻，种学峰.煤质对 Texaco 气化装置运行的影响及其选择（下）J.化肥工业，2002（4）：8-13.8 宋文佳.高温煤气化炉中煤灰熔融、流动和流变行为特性研究D.上海：华东理工大学，2011.9 李文，白进.煤的灰化学M.北京：科学出版社，2013.表 1陕西子长相关煤样的煤质分析煤样GT-ZNJ-ZHC-JJJ-ZCC-Z工业分析（质量分数）/%Mad0.781.401.131.881.63Vad29.4832.2138.4929.5028.82Aad29.2524.239.2231.5133.50FCad40.4942.1651.1637.1136.05St,ad0.460.510.460.350.44DT13761271123315001500灰熔融性温度/ST139813241257HT141613331276FT14461352130944-