几种高灰熔点煤用于气流床气化性能的探讨

2014-12-31杨扬

山西化工 2014年5期

杨扬

（太原煤炭气化（集团）有限责任公司，山西太原 030024）

煤气化是煤炭清洁化利用的重要途径之一，煤气化作为化工原料气的基础，是实现煤炭加工利用的关键环节。太原煤气化公司因公司发展煤化工项目需要，对保德（白家沟）、轩岗及龙泉等煤矿的煤质情况进行了调查，以了解几个煤矿的主要煤质及特征性能，并对其能否适用于气流床气化等性能指标进行了分析研究。

1 煤样煤质情况

1.1 保德（白家沟）煤矿

从初勘资料看，神东煤田保德（白家沟）煤矿，属高灰分、高灰熔点煤，8＃灰分质量分数（Ad%）在16.0%～17.0%，属中等可选；13＃灰分质量分数（Ad%）在12.0%～14.0%，属中等可选。本次实验保德北即8＃煤，保德南即13＃煤。

1.2 轩岗矿

轩岗矿是以生产动力煤为主的煤炭公司，属宁武煤田，目前生产能力约750万t／a。所采煤层主要为5＃、6＃及2＃煤。

5＃煤黏结指数（浮选后）可达83，可作为炼焦配煤，其他煤主要为高灰分、高灰熔点的动力用煤。2＃煤的内灰质量分数达14.6%。本次实验采用轩岗2＃、5＃煤。

1.3 龙泉煤矿

龙泉煤为高灰分、高灰熔点的气煤。从目前所掌握的基础数据看，除少量洗精煤可作为炼焦配煤利用外，其余主要作为动力用煤。

2 煤样常规数据分析

几种煤样的煤质分析数据见表1。

表1 煤样煤质分析

通过常规数据分析发现，本次实验煤种灰分质量分数＞25%，灰熔点＞1 500℃，属高灰、高灰熔点煤。

3 煤样气化性能的研究［1－3］

3.1 气化用煤的特性要求

目前，受所用炉型限制，气化用煤对煤质有不同的要求。以大型气化常规炉型看，主要以Shell气化、水煤浆气化为主流工艺。

3.1.1 Shell气化

Shell气化工艺技术较为成熟，是目前国内化肥等化工生产煤气化采用较多的炉型（国内也有采用航天炉，原料要求基本一致），其对煤质要求相对低、范围广。但为保障生产过程的稳定性和经济性，仍对煤质有较高要求，即，

w（水分）＜8%，w（固定碳）＞50%，w（硫）＜1%，w（灰分）≯25%，K＜6.5［k值见式（1）］，m（SiO2）／m（Al2O3）控制在1.8～2.3。

根据预期选用的煤种，并结合低成本原则，可以石灰石（碳酸钙）形式提供CaO作为助熔剂。添加助熔剂将或多或少增加运行成本和建设投资，但可以通过降低气化炉操作温度、节约氧耗和煤耗来补偿。助熔剂的加入量，采用煤灰分中不超过25%的助熔剂比例（利用灰分中CaO的质量分数定义）来设计。

总之，对于液态排渣的Shell煤气化炉，选择灰熔融温度低和灰渣流动性好的煤对生产有利。

3.1.2 水煤浆气化

水煤浆是目前应用成熟的大型煤气化工艺技术，其主要用于高活性、低灰熔点、易成浆的煤炭气化。其主要用煤特性有：

1）低内水——内水含量越低，越有利于制备高浓度的煤浆。内水大于8%是不经济的。

2）低灰分——灰分越低，越有利于气化。灰分小于13%能够经济稳定运行。对于高灰分煤种，则有待于在设备、管道、阀门材质及结垢方面做大量的工作。

3）低灰熔点——选择灰熔点小于1 300℃的煤质有利于经济稳定运行。

4）煤质稳定性——选择化学活性高、可磨性好、灰渣特性好的煤种，是实现运行稳定的关键。

3.2 煤样气化特性的分析

由于化工用煤主要是用于气化，因此，重点对煤的灰熔点等进行分析，以探讨其可用于气化的工艺可行性。

受各方面因素所限，目前，常规的固定床气化一般不作为推荐的技术，而以Shell、水煤浆气化为主要的选择。通过常规数据分析发现，5种煤的灰熔点都大于1 500℃，属于高灰熔点煤，远高于国内常用的气化炉对入炉煤的灰熔点要求，无法直接用于气化。

3.2.1 施特诺系数计算

灰熔点是气化用煤关键指标之一，是对煤灰可流动性认定的一项简单判别指标。施特诺系数是用来简单判断气化用煤的较准确指标。采用施特诺系数K可对灰熔点进行简单判断，其计算公式见式（1）。

以K＞5为难熔灰，所以控制K≤5。实际生产中一般气化原料煤控制在K≤6.5。

按照此次采样的分析数据，其K值计算结果为：

龙泉煤（煤化所分析数据）：

可以看出，各煤种的灰熔点都不满足生产需要。

3.2.2 石灰石添加量的计算

从3.2计算可看出，上述几种煤都达不到气化基本指标，需配加石灰石进行调节。配加石灰石使各煤种K值达到5时的理论计算数据为：

经计算可以看出，理论上需要配加CaO的量最少约为灰量的2%，最多约为灰量的12%。

3.2.3 添加石灰石后的灰熔点研究

对几种煤进行添加CaO后的灰熔点实验（结果见表2），添加量分别定为2%、5%、10%、20%。

表2 添加CaO后的灰熔点分析数据

3.3 煤样气化工艺的探讨

根据对几个煤矿煤质的分析，结合化工用煤气化炉的基本要求，可以认定，上述几个煤矿的煤质不适合直接用于煤气化生产。

由于几个煤矿均为高灰熔点煤，所以水煤浆肯定不适应，可以采用的气化工艺首选是Shell气化工艺（或航天炉）。该工艺对灰熔点的基本要求是不大于1 450℃。

经计算，达到1 450℃，均需要大量配入石灰石（见表3）。分析可知，石灰石添加量最少的为5＃煤，为每100t原料煤添加2.94t石灰石。但此时煤的原始基础灰分已经达到了30%左右，这样入炉的气化原料灰分在40%以上，无法保障气化炉的正常稳定运行，经济性也肯定很差。

表3 添加CaO量折合成石灰石的量

Shell气化是目前最高温度的气化方式，其核心要素是要保障煤气化过程中炉灰的合理流动。因此，为保障煤灰的正常流动，入炉灰分的K值应＜5.0。当煤灰成分不满足要求时，通过补加CaO进行调节。以龙泉矿为例（根据煤质报告提供的基础灰分数据测算），其煤灰成分均达不到K值要求，尤其是2＃煤，其K值高达11.88，要调节到＜5.0需要补充大量的石灰，其经济性显然不合理。因此，2＃煤用于Shell气化不具备可行性。

考虑到总体投资的可行性，龙泉井田及保德、轩岗煤将不适合直接采用Shell气化（轩岗5＃煤灰分高且煤质不稳定，也不适合）。

可行的办法是进行配煤，配入低灰熔点的煤可以解决气化难题。以龙泉矿为例，配入约30%的府谷煤可以实现正常的气化。