煤的成分对Shell煤气化工艺操作的影响分析

万国鹏，宋 强

(河南龙宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

煤的成分对Shell煤气化工艺操作的影响分析

万国鹏，宋 强

(河南龙宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

河南龙宇煤化工有限公司的气化装置使用的是先进的粉煤加压Shell气化炉，其采用以煤粉为原料、液态形式排渣、气流床加压气化的工艺技术。虽然Shell气化炉对煤种适应性较广，对高灰分与高灰熔点(<1 500℃)的煤种都能很好地气化，但长期运行实践表明，煤种的变化对Shell气化炉的稳定、经济运行存在不同程度的制约，特别是煤的灰分含量、灰熔融性、灰渣黏温特性、水分、灰分、元素含量、发热量等，其指标的高低对Shell气化炉的运行影响较大，只有通过配煤，找出适合气化炉的煤种，才能保证长周期、稳定运行。

Shell粉煤加压气化；气流床；煤质；煤气化装置

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.009

河南龙宇煤化工有限公司的气化装置使用的是先进的煤粉加压Shell气化炉，其采用以煤粉为原料、液态形式排渣、气流床加压气化的工艺技术。虽然Shell气化炉对煤种适应性较广，对高灰分与高灰熔点(<1 500℃)的煤种都能很好地气化，但长期运行实践表明，煤种的变化对Shell气化炉的稳定、经济运行存在不同程度的制约，特别是煤的灰分、灰熔融性、灰渣粘温特性、水分、元素含量、发热量等，其指标的高低对Shell气化炉的运行影响较大。

河南本地煤种是无烟煤，其特点是灰分高、灰熔点高，若全用本地煤生产，短时间内就会出现气化炉积灰严重、气化炉被迫降负荷等情况，不能长周期、高负荷运行。要解决此问题，只有研究煤的成分，通过配煤调成合适的煤种，才能应对不同工况下气化炉所适应的煤质的要求。但是煤的成分十分复杂，其中包括多种有机物和矿物质等混合物，并且许多有机物无法详细分析确定。

因此，本文就煤的成分对Shell煤气化工艺操作的影响进行分析，利用不同煤种的特性，配成Shell气化炉装置所能接受的煤种，从而降低运行成本，进一步提高煤的综合利用价值，使Shell气化炉达到安、稳、长、满、优运行的目的。

1 Shell煤气化工艺对煤水分的要求

1.1 煤的水分及组成

煤的水分主要由游离水和结晶水两部分组成，其中游离水又可分为外在水分和内在水分。外在水分主要是指附着于煤的表面，被煤表面的大毛细管所吸附的水分，把煤存放在空气中时，外在水分很容易蒸发。内在水分主要是“隐藏”在煤的毛细孔吸附作用下，常温状态下仅靠自身条件很难通过蒸发去除，只能利用外在热量将温度升到一定程度时才能去除。结晶水是指煤中矿物质所含的结晶水或化合水，一般需要加热到200℃以上才能析出，因此不作过多考虑。

1.2 煤的水分对Shell气化炉操作的影响

Shell气化炉对所使用的煤粉有一定的要求：煤粉中水含量要求低于2%，如果过高会造成煤粉流化不好结块，使煤粉加压输送系统在锥底处架桥，造成下料不畅，同时会因煤粉粘连而造成输送困难；另外，煤粉水分过高会影响煤线速度计的稳定性，易造成速度计波动较大、煤流量不稳定、跳烧嘴等现象，操作不当时造成煤烧嘴偏烧，影响气化炉的稳定运行。原料煤中的水分含量一般都比较高，过量的水分必须在制备合格煤粉的过程中除去；因此，原料煤中的水分含量越高(尤其是外在水分含量高)，在磨煤干燥系统中就会消耗过多的燃料气和低压氮气来保证合格的煤粉水分含量。煤过于干燥，煤中水分降低到1%以下，会导致煤粉流动性极差，输送不太好，并形成桥架，给气化炉的稳定运行也会造成一定的困难。

总之，原料煤中的水分含量越低越有利(尤其是外在水分含量低)；河南龙宇煤化工有限公司气化二厂要求原料煤中ω(水分)一般不超过13%，否则会给煤粉的磨制和输送带来“麻烦”。

2 Shell煤气化工艺对煤灰分含量的要求

2.l 煤灰分及其意义

煤的灰分是指在煤中各种矿物质完全燃烧的过程中，经过一系列分解、化合反应后剩余的残物。煤的灰分主要包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2、Na2O、K2O等酸性和碱性物质，因为是由许多化合物组成的混合物，所以没有固定的熔点，只有相当宽的熔融温度范围。总之，煤灰分在一定温度下只能形成共熔体。

煤灰的熔融特性和煤灰的化学成分之间有着非常密切的关系，(SiO2+Al2O3+TiO2)/(FeO+CaO+MgO+K2O+Na2O)的比值称为酸碱比，煤的灰熔点主要由煤中的酸碱化合物含量决定，煤中碱性化合物多，能形成一种低熔点的结晶矿物高温钠长石及多孔棉絮状的低温共熔物，使灰熔点降低；反之，酸性化合物多，灰熔点就高。除灰熔点外，煤灰熔化后的黏度与气化温度的关系也是重要指标。煤灰黏度指煤灰在熔融状态下流动阻力的量度，单位Pa·s。黏度过大，流动性差，不宜排渣；黏度太小，流动性过大，不易控制，高温合成气对气化炉水冷壁冲蚀加大，影响气化炉的使用寿命。对需要液态排渣形式的气化炉来说，煤灰熔融时的黏度大小直接影响到液态形式排渣操作的难易程度。在正常情况下，采用液态排渣的气化炉要求灰黏度为25Pa·s时的温度不能高于1 425℃，为了判断某种煤是否适用于此种工艺的气化炉，就必须分析确定煤的灰渣黏度及灰熔点。

2.2 煤的灰分含量对Shell气化炉操作的影响

2.2.1 灰分的高低对Shell气化炉操作的影响

Shell气化炉采用液态排渣，灰分熔融时要消耗大量的能量，且灰分不参与化学反应，其含量的大小和组成对气化反应本身影响较小，但灰分含量高的煤在气化过程中产生的灰渣量就会增加，势必带走更多的显热，会加大比煤耗、比氧耗，使煤的冷煤气效率降低。煤中灰分含量越高，会加大干法除灰的负荷，对除灰系统的陶瓷滤芯也是一种考验。同时，煤灰中某些成分含量过高会影响煤灰的熔融特性，当气化炉炉温低时，渣水处理系统中固含量就会增加，造成水处理系统负荷增加，处理难度增大，设备管线和阀门磨蚀加剧；严重时渣中结大块，造成气化炉渣口堵塞，迫使气化炉停车，影响气化炉的正常运行。Shell气化炉采用水冷壁结构，外涂浇注料来保护水冷壁，利用熔融液态渣被水冷壁吸热而形成固态渣层，不被固化的液态渣顺着固态渣层往下流至渣口并掉入渣池，这样使得膜式壁与炉膛分隔，实现“以渣抗渣”，从而保护气化炉水冷壁免受损坏。如果煤中灰分含量太低，就会造成水冷壁表面渣量少、渣层薄，从而使高温合成气和熔渣侵蚀水冷壁，不利于对水冷壁的保护，影响气化炉使用寿命。

河南龙宇煤化工有限公司根据气化装置长期运行的情况总结经验：无水基煤灰含量是25.5%(收到基23.5%)时的煤种为最理想。如果煤灰含量偏高，限制气化炉高负荷运行的瓶颈将是除灰和除渣系统的处理能力，气化炉合成气冷却器积灰风险也会增加。

2.2.2 煤的灰熔点对Shell气化炉操作的影响

由于Shell气化炉属于气流床气化、液态排渣，为确保灰分在熔融的状态下顺利排渣，就必须保证熔融的渣黏度适中，有适宜的流动性，气化炉操作温度要高于其流动温度100～150℃。所以，灰分的成分对所要求的Shell煤气化操作温度起主导作用。如果煤的灰熔点过高，势必要求提高气化炉操作温度，熔融的渣就会带走更多的显热，增加了比煤耗、比氧耗；提高炉温，使合成气中的二氧化碳含量增加，一氧化碳含量下降，使煤的有效气成分降低，影响气化炉运行的经济性；当气化炉温度操作过高时，若激冷效果不合适，会增加气化炉合成气冷却器积灰、结垢的危险性。所以，选用灰熔点低的煤对Shell气化炉运行有利。当使用灰熔点较高的煤时，可以通过增加助熔剂的量，调整煤灰的酸碱比例来实现改善其黏温特性的目的，从而保证气化炉的正常运行；或者根据配煤情况配成适合气化炉所需煤种灰熔点相近的煤。对助熔剂及加入量的选择，可根据预期选用的煤种，分别向煤中加入不同比例石灰石(碱性化合物)来化验煤的灰熔点，结合煤灰组成来分析实验结果，最终确定助熔剂的加入量。添加助熔剂将会增加建设投资和运行成本，但操作时可以降低气化炉温度，从降低比氧耗和比煤耗这两方面来得到弥补。该厂加入助熔剂的量是根据煤灰分中小于25%的助熔剂比例(利用灰分中ω(CaO)定义)来设计的，如果石灰石加得过多，可能形成高灰熔点的硅酸钙，反而不利于灰熔点的降低。煤的灰熔点并非随着碱性化合物的增多而降低，而是与酸性和碱性化合物的关系呈现一种正态分布曲线的关系，即先降低，达到一个最小值后又会增加。因此，在添加助溶剂时要严格根据煤质分析进行，如果加得过多，灰熔点反而会增高，还会使水处理系统结垢的速度大大加快，增加了运行难度。

总之，煤中的灰分含量要求较严，最佳灰分含量为12%～25%，这样既能保证气化炉膜式水冷壁上正常挂渣，又能使气化装置的运行成本和对设备管道的磨损控制在合理范围内，避免气化炉合成气冷却器积灰、结垢；煤中硅铝比是影响气化炉合成气冷却器积灰的关键因素之一，该厂要求指标为1.8

3 Shell工艺对煤中固定碳挥发分的要求

煤的固定碳含有多种元素，每种元素对Shell煤气化工艺都有一定的影响，固定碳含量是判断煤质好坏的重要指标，固定碳含量越高，表明煤中的有效成分就越高，越有利于提高气化炉的气化率和有效气产量。该厂所用的煤种固定碳含量大于55%，可增加气化装置的经济运行性。

煤的挥发分是指煤在加热后挥发出的有机物质及分解的产物，它是判断煤变质程度及种类的重要依据。正常情况下，煤中的挥发分含量越高，表明煤的变质程度越低，煤的化学活性越高，反应活性越强，有益于煤的气化反应，进而提高碳的转化率；但煤若长期存放，当夏季气温较高或者煤仓在没有氮气保护下而伴热未及时停用，尤其是煤粉接触到空气时，易发生焖烧甚至自燃，所以，挥发分高于35%的煤种在储存时要特别考虑发生焖燃的问题。

总之，固定碳含量越高，产气率越高，有效气量就高；一般选择大于50%的煤种，这样更有利于降低生产成本。

挥发分含量越高，越利于气化反应，增加煤气产率；但是不利于煤的储存，该厂要求的指标不高于35%。

4 结语

从理论上分析，Shell煤气化工艺能够气化的煤种较广，但还有不少煤种不适宜，特别是河南本地灰分高、灰熔点高的无烟煤，只有研究、了解了煤的组成，通过配煤方式来解决。我们先通过煤的工业分析来了解所用煤的成分，然后再确定如何选煤配煤，试验煤种的主要煤质分析数据见表1，以本地煤为基础的配煤试验数据见表2。

表1 试验煤种的主要煤质分析数据 %

表2 以本地煤为基础的配煤试验数据

若气化炉只用本地煤，在气化炉运行不到2天的时间内，13TI0018出口温度将上升20℃；气化炉合成气冷却器所产过热蒸汽的出口温度将从364℃降至335℃(降低了约30℃)。以上现象表明：气化炉合成气冷却器在慢慢积灰。根据气化炉要求的煤的工业分析数据，配煤为本地煤：外地煤=4∶1，添加适量石灰石降低其灰熔点，气化炉用这个煤种运行没有出现以上现象，成功解决了制约气化炉长周期、高负荷运行的瓶颈，气化炉运行良好。

由上述分析可知，通过对煤的工业分析，找出适合气化炉的煤种来保证长周期、稳定运行是可以实现的。

[1]廖汉湘.现代煤炭转化与煤化工新技术新工艺实用全书[M]．合肥：安徽文化音像出版社，2004．

[2]吴枫，阎承信．关于Shell气化法原料用煤的探讨[J]．大氮肥，2002，25(5)：313-317．

[3]郑振安．煤种特性对壳牌煤气化装置设计和操作的影响[J]．化肥设计，2003，41(6)：15-19．

[4]韩雪冬，谭井坤，姜殿臣，等．煤质变化对气化炉运行的影响及防范措施[J].贵州化工，2002，27(4)：32-34.

[5]项爱娟．煤成分对Shell煤气化工艺的影响[J]．化肥工业，2006，33(6)：6-8.

[6]吴国祥.煤质变化对Shell粉煤气化工艺的影响[J]．大氮肥，2011，34(4)：273-277.

行业信息

总投资约171.5亿元的神华煤制烯烃升级项目获核准

神华集团在2017年8月7日晚间公告称，神华包头煤制烯烃升级示范项目获得内蒙古自治区发展和改革委员会的核准。项目主要建设规模为75万t/a的煤制聚烯烃装置，其中，聚乙烯35万t/a、聚丙烯40万t/a，项目总投资约171.5亿元。

公告显示，项目单位为该公司全资子公司神华包头煤化工有限责任公司(简称包头煤化工公司)，建设地点为包头市九原工业园区。目前，包头煤化工公司已投产运营的煤制聚烯烃装置规模约为60万t/a，其中，聚乙烯30万t/a、聚丙烯30万t/a，这也奠定了如今神华集团在包头煤制烯烃升级项目中的基础。作为国内最大的煤炭企业，神华集团旗下的包头煤化工公司此前已经建成了世界最大的煤制烯烃项目。

神华集团决定启动包头煤制烯烃升级示范项目，将现有工厂规模能力扩大，升级示范项目产能规模为200万t/a煤制甲醇及70万t/a聚烯烃。

(本刊通讯员)

Analysis of Influences of Coal Composition on Operation of Shell Coal Gasification Process

WAN Guo-peng，SONG Qiang

(Henan LongYu Coal and Chemical Co.，Ltd.，Yongcheng Henan 476600，China)

Gasification equipment used by Henan LongYu Coal and Chemical Co.Ltd is Shell’s advanced pressurized pulverized-coal gasifier.Shell’s gasifier uses pulverized-coal as raw material，slagging by liquid form，and adopts entrained flow bed for pressure gasification.Although Shell’s gasifier can be widely used in gasification of different types of coal，presenting excellent gasification of coals with high ash content and high ash fusion point (<1500℃)，long-term practice reveals that the change of coal type (especially the change of coal’s ash content，ash fusibility，water and ash content，calorific value and so on，which have great impact on stable operation of Shell gasifier) limits the stability of Shell gasifier and economic operation with different effects.Only by finding suitable coal type for the gasifier can the gasifier operate stably and sustainably.

Shell pressurized pulverized-coal gasifier；entrained flow bed；coal property；gasification equipment

万国鹏(1985年—)，男，河南宁陵人，2014年毕业于中国石油大学化学工程与工艺专业，现主要从事化工工艺管理工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.009

TQ547.7

B

1004-8901(2017)04-0032-04

2017-04-27