我国气化用煤煤质评价指标体系构建研究

张 艳，刘成龙，高天明，周凤英，闫 强

(1.中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心，北京 100037；2.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；3.国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037；4.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；5.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

我国气化用煤煤质评价指标体系构建研究

张 艳1，2，3，刘成龙1，3，4，高天明1，5，周凤英1，2，3，闫 强1，2，3

(1.中国地质科学院全球矿产资源战略研究中心，北京 100037；2.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；3.国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037；4.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；5.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

不同气化工艺、不同气化炉型对煤质的要求不同，若选择不当，会导致煤气化装置生产指标下降甚至不能正常运行。因此，本文通过实地调研我国煤化工企业的技术发展现状，详细收集和分析了气流床粉煤气化炉、气流床水煤浆气化炉、流化床气化炉和固定床气化炉对配煤煤质的要求，结合有针对性的采样测试分析工作，对比现有评价指标存在的不足并进行补充和完善，更新了原有气化用煤煤质指标要求，首次建立起一套符合中国目前国情的气化用煤煤质评价指标体系。

气化用煤；煤质要求；指标体系

能源是国民经济和社会发展的基础[1]，我国能源状况是富煤缺油少气[2]，煤炭目前在能源消费结构中占三分之二。虽然当前我国煤炭需求增速放缓，产能过剩，煤炭开发利用带来的环境问题也十分突出，但从能源战略角度讲，煤炭作为我国主体能源的地位和作用在今后相当长的时期内很难改变。

煤炭在开发、加工、利用过程会释放出大量有害物质，对环境造成的污染，成为制约国民经济和社会可持续发展以及2020年全面实现小康社会的一个主要影响因素。这种状况引起了我国政府的高度重视，2013年1月1日国务院下发的《能源发展“十二五”规划》，确定“实施能源消费强度和消费总量双控制，努力构建节能型生产消费体系。坚持保护环境，大力推进煤炭高效清洁利用”为“十二五”期间国家能源发展的基本原则之一。

煤炭气化作为一种清洁的煤炭转化利用方式，被认为是未来煤炭洁净利用技术的基础。不同气化工艺技术对煤质和煤类有不同的要求，为保障取得较好的经济和社会效益，亟需建立一套符合中国国情的气化用煤煤质评价指标体系。但是，迄今仅有国家标准化管理委员会出台了煤化工用煤的技术导则，未有针对不同技术工艺的气化用煤指标体系。本文在充分考虑不同煤类对煤气化技术的适应性及不同煤气化工艺对煤质的要求的基础上，从不同煤气化工艺与煤类煤质特性的匹配性要求出发，构建一套气化用煤煤质评价指标体系，以规范气化用煤，在保证气化用煤质量的前提下，进一步保护我国的优质煤种和稀缺煤种，鼓励开发利用高硫煤等煤炭资源，优化煤炭资源的开发利用路径。

1 煤质评价指标体系研究的现实意义

煤质评价指标体系针对不同煤质选择合适的煤化工工艺，煤质对工艺的选择、煤炭利用效率、产能、产品质量、环境等都有较大影响。针对不对同气化工艺，我国建立了较为完整、系统的煤化工用煤技术导则、常压固定床气化、流化床气化、气流床气化标准，但在调研中发现，此标准在煤化工企业实际运用时出现了一些问题，中国目前煤化工项目因为煤质产生事故发生的案例层出不穷。

大唐克旗在内蒙古赤峰市克什克腾旗煤制天然气项目采用鲁奇炉气化工艺，该项目一系列生产装置于2014年1月17日全面停车，原因是气化炉内壁腐蚀及内夹套减薄问题被迫停产检修，该项目在2012年试运行期间采用的是神华煤，运行20多天没有发现腐蚀现象，正式投产后改用大唐自身煤矿的褐煤，结果出了问题，这说明煤质对气化炉的影响是主因。该企业虽经深入研究和对外考察，开始配煤掺烧，但由于项目原设计中没有混配煤措施，且供煤煤质不够稳定，严重影响了气化炉长周期稳定运行，直接影响自产甲醇量，进而影响项目生产负荷和经济效益。

新疆广汇煤化工项目采用固定床鲁奇炉气化工艺，投产初期煤中硫元素对气化工艺腐蚀非常严重，损失巨大，通过1年的时间寻找解决腐蚀技术，最后通过镍基焊条对气化炉内壁满焊解决了腐蚀，由此可见煤质分析对气化影响非常大，影响了项目早投产和公司经济效益。2014年，内蒙古大唐克旗煤制天然气项目气化投料一个月就停车，最后查明原因也和新疆广汇气化腐蚀一样。

大唐在锡林郭勒盟多伦县46万t煤制烯烃，项目采用壳牌粉煤气化技术，多次因渣口堵渣、合成器冷却器入口堵灰等原因而导致停车。2012年1月至2013年12月，3台气化炉渣口堵渣32次、合成器冷却器入口堵灰12次，究其原因，主要由于煤质与气化炉工艺不匹配原因所致。

大唐呼伦贝尔化肥厂合成氨项目采用清华炉水煤浆气化工艺，投产后最为突出问题，就是原料煤种不匹配，装置无法实现连续长周期稳定运行，开停车频繁。该地区能够使用的最好煤质与设计煤种差距较大，褐煤水煤浆浓度设计为53%，但实际只能达到49%左右，使气化装置达不到设计能力。

兖州煤业榆林能化有限公司230万t/a甲醇项目采用GE德士古水煤浆气化工艺，于2008年12月29日打通全系统生产流程，经2年多的试运行，一直未能实现长周期稳定运行，其中，2010年，因煤浆灰熔点波动，造成气化炉频繁堵渣，非计划停产4次。由于榆树湾矿的灰熔点较高，需要参混其他低灰熔点煤种，从源头上降低煤的灰熔点并改善熔渣的流动性。2011年4月，开始根据试验数据对参配后的水煤浆进行试烧，于2011年8月建成了永久性参配装置，基本未再出现因水煤浆灰熔点波动而造成的气化炉堵渣现象。

在这些案例中，煤化工项目使用原煤煤质不适合选取煤化工工艺，导致气化炉气化炉内壁腐蚀、渣口堵渣、合成器冷却器入口堵灰、水煤浆浓度偏低、灰熔点不稳定等重大事故，严重影响了项目的按期进行。这充分说明由于实际运行数量太少及技术工艺变化，已有的标准可能不完全适应实际运行需求。因此建立气化用煤煤质评价指标体系意义重大，是煤化工项目立项的基础，为煤化工项目选择原煤和煤化工工艺提供理论依据和工程指导。本文在通过对企业实际用煤的煤类、煤质与国家煤炭分类标准进行对比分析基础上，修改完善原有气化用煤指标，建立起了一套符合中国目前国情的气化用煤指标体系。

2 气化用煤煤质评价指标体系研究现状

目前我国已经建立煤化工用煤技术导则、常压固定床气化、流化床气化、气流床气化标准。

《煤化工用煤技术导则》2009年颁布，导则中说明煤炭气化是指在一定温度、压力条件下，用气化剂将煤中的有机物转变为煤气的过程。主要包括固定床气化、流化床气化、气流床气化等技术。用于煤炭气化的煤类有褐煤、不黏煤、弱黏煤、部分气煤、贫瘦煤、贫煤和无烟煤等无黏结性或较弱黏结性的煤作为原料煤，无烟煤优先用作常压固定床气化生产合成氨的原料。煤炭气化用煤应考虑粒度、灰分、灰熔融性温度及黏结指数等主要技术指标。固定床气化工艺要求使用各种规格规格的块煤。不同煤炭气化工艺对煤的灰熔融性有不同要求，固定床气化工艺一般要求煤灰熔融性软化温度大于1 250 ℃，水煤浆气流床气化工艺一般要求煤灰熔融性流动温度小于1 300 ℃，干煤粉气流床气化工艺一般要求小于1 450 ℃。

常压固定床气化用原煤技术条件中规定，煤炭类别主要有褐煤、长焰煤、弱黏煤、气煤、瘦煤、贫瘦煤、贫煤和无烟煤。具体煤质要求见表1。

流化床气化用原料煤技术条件中对煤质的要求包括全水分、灰分、全硫、煤灰熔融性软化温度、950 ℃下煤对CO2反应性以及黏结指数(表2)。

气流床气化用原料煤技术条件规定了水煤浆气流床和干煤粉气化炉对煤质的要求，其中水煤浆气流床气化工艺对灰分、全硫、成浆浓度、煤灰熔融性、哈氏可磨性指数技术要求见表3和表4。

干煤粉气流床气化对原煤煤质要求包括全水分、灰分、全硫、煤灰熔融性流动温度、哈氏可磨性指数。

表1 常压固定床气化用煤技术条件

表2 流化床气化用煤技术条件

表3 水煤浆气流床气化用煤技术条件

表4 干煤粉气流床气化用煤技术条件

气化用原料煤技术条件对不同工艺对煤质的要求作出规定，没有对不同炉型气化炉分别讨论，目前国内煤化工项目使用炉型各不相同，有数十种炉型可供选择，不同炉型对煤化工原煤煤质的要求不尽相同，简单的气化用原料煤技术条件无法满足企业的需要，企业在选择气化炉和与之匹配的原料煤时无从考量或者选择煤质不适合，导致煤化工项目事故的发生，影响企业生产进度和效益。构建气化用煤煤质评价指标体系首先要分析不同气化工艺气化炉的特点，从正在运行的煤化工项目中收集不同气化炉对煤质的实际生产要求，最后建立煤化工用煤煤质评价指标体系的构建。

3 不同气化工艺对煤质的要求

国内煤化工用煤技术导则提出了不同气化工艺对煤质的要求，包括常压固定床气化、流化床气化和气流床气化三种工艺，缺陷是没有考虑气化炉型的选择，气化炉技术日新月异，其对构建气化用煤煤质指标评价体系意义重大。

不同的气化工艺、不同气化炉型对煤质要求有所不同，若选择不当，会导致煤气化装置生产指标下降甚至不能正常运行。本文通过对国内煤化工企业使用气化工艺和气化炉的调研，根据煤气化工艺以及气化炉的特点，详细收集和分析了气流床粉煤气化炉、气流床水煤浆气化炉、流化床气化炉和固定床气化炉，三大气化工艺17种炉型对煤质的要求。

3.1 气流床粉煤气化

气流床粉煤气化工艺炉型主要有壳牌炉、GSP、航天炉、东方炉、五环炉、两段式粉煤气化炉、科林炉等。壳牌炉为典型的气流床粉煤气化炉，壳牌炉一般要求原料煤灰分大于12%～25%，灰熔点在1 250～1 400 ℃之间，硫分大于0.5%～3.0%，灰成分SiO2/Al2O31.7%～2.7%、Fe2O3大于8%～18%[3]，对其他煤质参数如灰渣年度、全水分、热值、可磨性指数、挥发分以及氯含量和氟含量等也有要求(表5)。GSP气化炉灰分要求与壳牌炉有所不同，一般为1%～20%[4]。航天炉是在壳牌炉的基础上国内生产的气化炉，其特点是可气化高灰、高硫、高灰熔点的劣质煤，一般要求灰分大于10%～35%，灰熔点大于1 350 ℃，硫分大于0.3%～5.2%[5]。其他气化炉如东方炉、五环炉、两段式粉煤气化炉、科林炉对煤质的要求与壳牌大同小异，具体见表5。

3.2 气流床水煤浆气化

气流床水煤浆气化炉主要有德士古GE、四喷嘴对置-华理炉、清华炉、多元料浆气化炉等。德士古一般要求灰分含量小于13%，灰熔点小于1 300 ℃，对内水的要求比较高，小于8%[6]，主要是因为内水是影响成浆浓度的重要指标。国产华理炉和清华炉在国内目前使用较多，多元料浆气化炉是一种综合的新型气化炉，具体各种炉型对煤质的要求见表6。

3.3 流化床气化

流化床气化炉主要有HTW伍德炉、U-GAS、恩德炉、灰熔聚炉等。流化床气化工艺的特点是可以气化各种煤质煤类的原料煤，使用范围广。例如高灰熔点煤可使用U-GAS或者灰熔聚炉，U-GAS灰熔点流动温度要求一般大于1 112～1 450 ℃，灰熔聚炉可气化1 500 ℃高灰熔点的原料煤。U-GAS气化炉可气化硫分小于4%的高硫煤和灰分小于55%的高灰煤，还可以气化内水小于43%的高含水煤[10-11]。其他气化炉如伍德炉、恩德炉对煤质的要求见表7。

3.4 固定床气化

固定床气化是最早的气化工艺，主要炉型有鲁奇炉和BGL炉，鲁奇炉一般要求原煤灰分大于10%～30%，灰熔点要求大于1 150～1 250 ℃[12]。其他炉型见表8。

4 气化用煤煤质评价指标体系构建

将上述所分析的国内煤化工企业使用不同气化工艺和不同炉型对煤质的要求，与我国煤化工用煤技术导则进行对比后发现，简单的分工艺气化用原料煤技术参数无法满足实际应用中不同炉型的要求。例如：气流床粉煤气化技术导则要求煤灰分不大于25%，灰熔融性不大于1 450 ℃，全硫不大于3%。而国内生产航天炉可以气化高灰高熔点和高硫煤，要求煤灰分10%～35%，灰熔点大于1 350 ℃，硫分不大于5.2%。由华东理工大大学和中石化联合研制的东方炉可以气化灰熔点高达1 500 ℃的煤。由此可见，在目前我国煤化工用煤技术导则的指导下，企业在选择气化炉和与之匹配的原料煤时无从考量，因选择煤质不适合而导致煤化工项目事故的情况时有发生。因此，将原有的不同气化工艺对煤质的要求，更新为不同气化工艺、不同炉型用煤的煤质指标要求，为指标体系中煤质参数等级划分提供了参考依据。

表5 气流床粉煤气化对煤质的要求

表6 气流床水煤浆气化对煤质的要求

数据来源：文献[7]～[9]。

表7 流化床气化工艺对煤质的要求

数据来源：文献[16]～[17]。

气化用煤主控煤质参数决定了煤的气化能力和效果。本文以山西、陕西、内蒙、宁夏、安徽、河南、云南为重点省份，开展煤化工企业调研及采样工作，并完成了煤与CO2反应性、煤岩学、工业分析、工艺分析等相关的煤质实验。根据煤岩反应性实验和煤质分析实验的数据及收集的资料，分析不同煤质指标对化工工艺的影响特征及机理，确定了气化用煤主控煤质指标为：灰分、灰熔点、挥发分、硫分、黏结指数、灰成分、内水、低热值及哈氏可磨性指数及。并通过分析所调研的正在运行的煤化工项目中三大气化工艺17种炉型对煤质的实际生产要求，掌握各气化工艺气化炉的特点，在国内煤化工技术导则的基础上构建气化用煤煤质评价指标体系(表9)。

表8 固定床床气化工艺对煤质的要求

表9 气化用煤煤质指标评价体系

数据来源：文献[19]～[21]。

气化用煤煤质指标评价体系中，各煤质指标划分为三级，一级标准煤质条件最好，符合气化工艺中所有或者多数气化炉的要求。二级标准扩大了煤质参数的范围，煤质条件中等，部分气化炉可以气化该类原煤。三级标准煤质参数要求范围最广，煤质条件差，只符合少数或者特定研制气化炉的要求，技术可行的条件下，经济可行性需做进一步的研究分析。例如，气流床粉煤气化工艺中，一级标准要求煤灰熔点1 250 ℃～1 400 ℃，此为气流床粉煤气化工艺中最佳气化灰熔点，所有气化炉包括壳牌、GSP、航天炉、东方炉、五环炉、两段式粉煤气化技术和科林炉都可以气化该灰熔点范围内原煤。二级标准要求煤灰熔点1 200～1 500 ℃，可气化该灰熔点范围内气化炉有航天炉、五环炉、东方炉和科林炉。三级标准灰熔点要求1 15 0～1 600 ℃，只有航天炉和五环炉可以气化灰熔点高达1 600 ℃煤。

5 结 语

用于煤炭气化的煤类有褐煤、不黏煤、弱黏煤、部分气煤、贫瘦煤、贫煤和无烟煤等无黏结性或较弱黏结性的煤作为原料煤。煤质是决定气化技术选择的最关键因素，也是气化技术能够稳定和长期运行的保障。煤炭气化用煤应考虑水分、灰分、灰熔融性温度及黏结指数等主要技术指标。不同的气化工艺、不同气化炉型对煤质要求有所不同，若选择不当，会导致煤气化装置生产指标下降甚至不能正常运行。构建气化用煤煤质评价指标体系首先要分析不同煤质参数对化工工艺的影响特征及机理，掌握各气化工艺气化炉的特点，从正在运行的煤化工项目中收集不同气化炉对煤质的实际生产要求，最后建立气化用煤煤质分级评价指标体系。

根据煤气化工艺以及气化炉的特点，详细收集和分析煤气化炉对煤质的要求，选择适合不同煤气化工艺不同炉型的原煤，这将为拓宽煤炭应用范围，提高煤炭的市场竞争力，提供有益的帮助。同时，国家也应加强以化工用煤为重点的特种煤炭资源研究，对具有特殊用途的煤种做到优质利用和保护性开发，制定出合理的管理政策和法规，用政策和法规约束不合理利用特种煤的行为，强化按热量配煤、按煤质配煤和按用途配煤等的特种煤专用、精用的管理措施。这对于避免煤炭资源的浪费和环境保护，以及大力推进我国煤炭资源高效清洁利用具有重要的现实意义。

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Study on the evaluation index system of coal gasification quality in China

ZHANG Yan1，2，3，LIU Chenglong1，3，4，GAO Tianming1，5，ZHOU Fengying1，2，3，YAN Qiang1，2，3

(1.Research Center for Strategy of Global Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；2.Institute of Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；3.MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment，Beijing 100037，China；4.Earth Science and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；5.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China)

Different coal gasification processes and different types of gasifier have different requirements for coal quality.If the selection is incorrect，the production index of the coal gasification plant will decline or even fail to operate properly.Therefore，through the investigation of China's coal chemical industry technology development situation，the requirements of coal blending in entrained flow furnace，pulverized coal gasifier，entrained flow gasifier，fluidized bed gasifier and fixed bed gasifier are collected and analyzed in detail.According to analysis of the sampling test and compare with the shortcomings of the existing evaluation index，we update the requirements for the previous coal gasification index.In the end，we set up a set of coal quality evaluation index system for coal gasification according to China's current situation for the first time.

coal gasification；the requirements for coal quality；evaluation index system

2017-04-08 责任编辑：宋菲

地质矿产调查评价项目“全国特种煤资源综合评价与信息系统建设”资助(编号：DD20160189)；地质矿产调查评价项目“能源安全综合研究与动态跟踪评价”资助(编号：DD20160084)

张艳(1980-)，女，副研究员，主要从事能源经济与能源政策方面的研究工作，E-mail：lydiazhang@cags.ac.cn。

高天明(1980-)，男，副研究员，主要从事资源经济与政策方面的研究工作，E-mail：gaoming0920@aliyun.com。

TQ54

A

1004-4051(2017)07-0041-07