织金矿区高阶无烟煤对煤气化技术的适用性分析

胥国领

(中国石化长城能源化工(贵州)有限公司，贵州 贵阳 550081)

我国的能源状况是富煤贫油少气[1]，2019年，煤炭消耗量占能源消费总量的57.7%，是我国主体能源。煤的性质因煤组成、成煤条件、煤阶、硫含量、粒度千差万别。煤气化技术是煤炭清洁高效低碳转化的龙头，且气化装置投资在煤化工项目投资中比重较高。因此，根据煤质选择可靠、经济稳定的煤气化技术是煤炭高效洁净利用的关键。

1 织金矿区主采煤层煤质特征

织金矿区煤层赋存较稳定，以中灰、中高硫、特低磷、高发热量高阶无烟煤为主。主采煤层资源量约64亿t，占总资源量的60.9%。勘探区内可采煤层水分1.29%～3.50%，平均2.83%，属低水分煤；灰分17.22%～24.23%，平均20.47%，勘探区中北部、西部和东部煤炭为中高灰煤；挥发分6.24%～22.04%，平均9.56%，以低挥发分煤为主；硫分2.06%～3.97%，平均3.06%，区内以高硫煤为主；煤发热量(Qgr，ad)在25.22～27.14 MJ/kg之间，平均26.25 MJ/kg；流动温度平均1 370 ℃，哈氏可磨指数偏低。织金矿区主要勘探区煤质统计见表1。

表1 织金矿区主要勘探区煤层煤质

数据来源：织金矿区地质勘查资料。

2 主流煤气化技术对原料煤煤质的要求

不同煤气化技术各有特点，对煤质要求不尽相同，不存在适用于所有煤种的气化技术。在选择煤气化技术时，首先要根据煤炭资源特点，综合考虑煤质特征，如粒度、灰分、灰熔融性温度及黏结指数等技术指标，选择适宜的气化技术。需要指出的是，技术适用性要高于技术先进性。

目前，按照入炉煤在炉中过程动态，主流煤气化技术分为固定床气化、流化床气化、气流床气化。

2.1 固定床煤气化技术

主要炉型有鲁奇炉及其改进型BGL炉。该炉型设计操作压力2.5～7.0 MPa，入炉煤粒度基本要求13 mm以上，通过煤锁加煤，炉上不装搅拌耙和布煤器，熔渣通过炉下部排渣口排出，采用加石灰控制灰渣黏度。该气化炉要求入料煤粒组成均匀、稳定性高，对水分要求不严格[2]，鲁奇气化炉虽然具备冷煤气效率高、氧耗低的优势，从经济性角度考虑，以粘结性不黏或弱黏原料煤为宜。对织金高阶无烟煤，这种炉型不予考虑。该气化技术对原料煤质要求见表2。

表2 固定床气化炉煤质指标

2.2 流化床煤气化技术

流化床气化技术主要有温克勒(Winkler)、高温温克勒(HTW)、U-Gas、恩德炉粉煤气化等。该炉型操作温度一般为850～1 100 ℃，适用于反应性好的褐煤及低阶烟煤，对原煤灰分不敏感，可气化30%～50%高灰煤，为经济性运行，大部分采用灰分25%以下煤；水分为5%～10%，水分高的煤需要预先干燥；采用干法排渣，灰的软化温度要求高于1 250 ℃，因相对气流速较高，导致煤气带灰严重，粒径小于1 mm的煤粉全部溢出炉外，并且加热过程中会出现结焦问题，比如U-Gas要求原料煤的粒度上限不超过6～10 mm。恩德炉、灰熔聚等流化床工艺气化压力低小于1 MPa，单炉生产能力小，气化效率低，煤气中尘含量高，灰渣中残炭高，碳转化率低，自动化程度低，致使不适合大型化装置[6]。织金矿区勘查区煤灰软化温度在1 260～1 410 ℃，个别生产矿原煤高达1 500 ℃，并且煤反应活性较差，织金煤在该炉型低气化温度和低气化压力下，将会降低气化效率，从而降低织金无烟煤利用价值，不建议采用。

2.3 气流床煤气化技术

该技术转化效率最高，适用煤种比固定床和流化床范围更广泛。目前具有工业化的锅炉有：水煤浆加压气化炉、Shell气化炉、GSP气化炉、HT-L航天炉、SE-东方炉、科林CCG气化炉。

2.3.1 水煤浆气化炉对煤质要求

目前工业应用较多的有GE水煤浆气化炉、多喷嘴对置式水煤浆气化炉和多元料浆气化炉，这些气化炉性能相当，运行指标类似。分析该炉型适用性主要参照发热量、灰熔点、灰分、水分、挥发分、含碳量、可磨指数等指标。入炉原料煤种以中低变质程度烟煤为主，要求灰分低于13%；水煤浆浓度大于60%；内在水分小于8%；煤灰流动温度低于1 350 ℃，一般控制低于1 300 ℃；哈氏可磨指数在50～60以上。该炉型均采用熔融液态排渣。

因织金矿区各勘查区煤炭平均HGI为44.5，可磨性差；流动温度平均达到1 370 ℃，初步断定矿区高阶无烟煤不适用于水煤浆气化炉。

2.3.2 粉煤加压气化炉对煤质要求

粉煤加压气化技术是干煤粉由气化剂夹带入炉，进行并流式燃烧和气化反应(火焰反应)，反应温度较高(1 300～1 600 ℃)，反应时间很短(1～10 s)，入炉煤粒度小于0.1 mm。煤种适应性强，除褐煤外均可气化，但高灰熔点煤需要加入助熔剂。该炉采用膜式水冷壁结构，气化炉及烧嘴使用寿命长。工艺指标先进，煤耗、氧耗低，气化效率高，冷煤气效率可达 80%～83%。工业运行的炉型主要有：废锅流程的Shell炉；激冷流程的GSP炉、HT-L航天炉、SE-东方炉、科林炉。

粉煤加压气化技术由于反应温度高，能气化反应活性差，灰熔点高的高阶无烟煤。对入炉煤一般性要求为：灰分控制在12%～25%，灰熔点FT小于1 400 ℃，经干燥后水分小于2%，入炉煤粒度一般大于90 μm和小于5 μm的均控制在10%以下。主流工业化的粉煤加压气化炉及主要气化参数汇总于表3。

表3 主要工业化粉煤加压气化炉煤质要求及主要气化参数

对织金矿区勘查区内主要煤质指标是：灰分在17.22%～24.23%；水分为1.29%～3.50%；挥发分平均为9.56%；矿区各勘查区平均发热量26.25 MJ/kg；平均硫分大于3%；煤灰熔融点多为1 260～1 410 ℃，少数为1 500 ℃；可磨指数HGI整体偏低，属于典型“三高”无烟煤。

从织金矿区无烟煤的煤质指标上看，通过洗选和混配的方式可把入炉煤灰分控制在12%～25%，采用添加助熔剂可把灰熔点降低到1 400 ℃以下。由于贵州煤的活性差、高灰熔点、高灰分特性，气化炉只能通过高达 1 500～1 650 ℃的温度运行才能有效解决其排渣问题，因此烧嘴、水冷壁等关键装备的耐高温性能是确保实现贵州煤高效转化的必要条件。综上，按照煤种适应性原则，织金高阶无烟煤适用于粉煤加压气化炉。

3 结 论

通过对主流煤气化技术分析，粉煤加压气化技术在技术性能指标上优于固定床气化技术、流

化床气化技术，粉煤加压气化技术对织金矿区未来高阶无烟煤清洁高效利用更为有利。考虑到织金矿区煤层状况，首先应尽量选定单一、稳定的优质煤源；其次随着矿区开发煤质变化，选择配煤掺烧技术，将当地高灰、高硫、高灰熔点煤与其他原料煤混合，以减少入炉煤指标波动而造成停车情况；尽可能减少助熔剂石灰石使用量，以降低运行成本。