晋城 “三高”煤用作航天炉原料煤的技术研究

王国夺，樊广燕，郭 然，丁 燕，陈 乐

（河南晋开化工投资控股集团有限责任公司，河南开封 475003）

0 引 言

晋城 “三高”煤的特点是硫含量高、灰分高、灰熔点高，通常认为是非经济性资源，实现晋城 “三高”煤的高效、洁净化利用，不但可以解决生态环境问题，还可缓解优质煤的供应压力，又能提升企业的经济效益与可持续发展能力［1］。航天炉粉煤加压气化技术就是煤炭清洁、高效转化的代表性技术之一。河南晋开化工投资控股集团有限责任公司2×600kt／a合成氨项目有2套航天炉粉煤加压气化装置 （共4台航天炉），设计以神木煤为原料，航天炉采用粉煤（干法）进料、液态排渣的运行方式，要求入炉煤的灰熔融性温度在1500℃以下，而晋城 “三高”煤灰熔融性温度高于1500℃，从而限制了其用作航天炉原料煤。为节约生产成本、拓展航天炉对其他煤种的适应性 （适应航天炉粉煤加压气化技术液态排渣的需求），摸清晋城 “三高”煤对航天炉工况的影响因素和程度，我们开展了晋城 “三高”煤用作航天炉原料煤的技术研究。工业上常采用添加助熔剂来降低煤灰熔融性温度［2］，以下对我公司开展的晋城 “三高”煤添加石灰石助熔剂的试验研究情况进行介绍与总结。

1 试验部分

（1）仪器：101-2EBS干燥箱、KER-1箱式高温炉、KER-100A制样机、FA2004N天平、TQ-3碳氢元素分析仪、SDTGA5000工业分析仪、DTG-60同步热分析仪、高温粘度仪等。

（2）煤种及助熔剂选择：以晋城矿区赵庄矿 “三高”煤 （简称赵庄煤）和成庄矿 “三高”煤 （简称成庄煤）作为试验煤样，助熔剂选用石灰石。

（3）煤样的制备：煤样使用小型制样机磨制，经筛分后粒度小于100目，然后分别将质量比为0%、1%、2%、3%、4%、5%的石灰石加入到赵庄煤和成庄煤煤样中，混合均匀，制得添加有石灰石助熔剂的煤样。

（4）煤灰熔融性测定：常用的方法是角锥法，本研究依据角锥法 ［遵循 《煤灰熔融性的测定方法》（GB／T219—1996）］进行测定。

2 结果与讨论

2.1 煤质分析

选用晋城矿区赵庄煤和成庄煤作为原料煤，以石灰石作为助熔剂，对煤灰熔融性温度的变化情况进行研究。其煤质分析结果见表1，煤样灰成分分析见表2，煤灰熔融性温度见表3。可以看出：赵庄煤和成庄煤为中等固定碳、水分和挥发分很低、灰分较高的无烟煤；煤灰的主要成分为SiO2和 Al2O3（合计占比约85%），CaO和Fe2O3含量较低 （合计占比约8%），因此煤灰熔融性温度较高，流动温度 （FT）高于1510℃，熔渣的粘度较大；按照 《煤灰流动温度 （FT）分级》（MT／T853.2—2000）划分，赵庄煤和成庄煤煤灰都属于高流动温度灰，不适应航天炉液态排渣的需求。

表1 赵庄煤与成庄煤煤质分析数据 %

表2 赵庄煤与成庄煤灰成分分析数据 %

表3 赵庄煤与成庄煤灰熔融性温度 ℃

2.2 助熔剂对煤灰熔融性温度的影响

煤样在添加不同比例的石灰石后，煤样中石灰石的添加量 （质量分数）与煤灰流动温度（FT）的关系如图1所示。

图1 助熔剂 （石灰石）对煤灰熔融性温度的影响

由图1可以看出：煤灰流动温度 （FT）随着石灰石添加量的增加先降低后升高；当石灰石添加量≤3%时，其FT呈下降趋势，赵庄煤和成庄煤的FT分别降至1361℃和1373℃，这是由于石灰石在一定温度下受热分解，增加了煤样中的CaO含量，CaO又与煤灰中的SiO2反应生成低温共熔物硅酸盐，从而有效降低了煤灰熔融性温度［3］；当石灰石添加量＞3%时，其FT反而上升，这是因为当煤灰中CaO含量过高时，易形成高熔点的硅酸钙 （CaSiO3）、假硅灰石（CaO·2SiO2）等，致使体系熔融温度上升［4］。

2.3 助熔剂对煤灰渣粘温特性的影响

考察赵庄煤、成庄煤及其添加3%石灰石后的灰渣粘温特性，分别见图2、图3。

图2 助熔剂对赵庄煤灰渣粘温特性的影响

图3 助熔剂对成庄煤灰渣粘温特性的影响

由图2、图3可以看出：赵庄煤和成庄煤熔渣属于结晶渣，其临界温度分别为1610℃和1627℃，所对应的临界粘度分别为35Pa·s和30Pa·s，炉温低于熔渣临界温度时，熔渣粘度迅速增大，不可能满足航天炉液态排渣的要求；但当在赵庄煤和成庄煤中添加3%的石灰石后，灰渣变为塑性渣，整体粘温曲线向左 （低温区）偏移，粘度变化趋势变缓，其临界温度降至1450℃，所对应的粘度为25Pa·s，炉温高于熔渣临界温度后，熔渣粘度下降，可满足航天炉液态排渣的要求。

2.4 技术经济指标对比

分别以原设计煤种神木煤和晋城 “三高”煤为原料 （添加3%的石灰石作为助熔剂）进行航天炉粉煤加压气化装置技术经济指标的测试，结果见表4。可以看出：晋城 “三高”煤添加石灰石作为助熔剂后，其灰熔融性温度得到有效降低，可满足航天炉液态排渣的要求；与使用原设计煤种神木煤相比，虽然气化装置的工艺参数略逊，但神木煤的价格远高于晋城 “三高”煤，从综合经济效益来看，以晋城 “三高”煤为原料是有利于节约成本、提高企业经济效益的，并且能保持航天炉的安全、稳定运行。

表4 航天炉气化2种煤的技术经济指标对比

3 结 论

由于晋城矿区赵庄矿 “三高”煤和成庄矿“三高”煤煤灰熔融性温度较高，不能满足航天炉液态排渣的要求，通过添加一定比例的助熔剂——石灰石，可使其灰熔融性温度降低；当石灰石的添加量为3%时，赵庄煤和成庄煤熔渣的临界温度降至1450℃以下，其粘温曲线呈现塑性渣的特点，可满足航天炉液态排渣的要求，即晋城 “三高”煤通过添加适当比例的助熔剂后可用作航天炉的气化原料，能保证航天炉的安全、稳定运行，不但可以节约生产成本、提高企业的经济效益，还打破了气流床煤气化工艺受煤种限制这一说法，对气流床煤气化工艺煤种的选择具有重要的借鉴意义。