双循环流化床气化用煤指标及煤矿初选

毛吉会，权亚文，魏江涛，张启科，王鹏伟，王 焜

（陕西延长石油（集团）有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心，陕西 西安 710075）

为实现煤炭资源的深度转化和清洁高效利用，加快原料多元化进程和增强国家能源保障能力，针对煤炭气化技术研发中的装置处理能力小、煤种适应性差、能源利用率不高、污染严重等问题，陕西延长石油（集团） 有限责任公司碳氢高效利用技术研究中心开发了具有自主知识产权的煤炭深度转化反应器，形成双循环流化床超大型粉煤气化技术(KSY)[1]。

100 t/d KSY 中试装置采用分段气化集成工艺技术理念，将双流化床反应器进行耦合，实现了粉煤气化副产物残碳、半焦、焦油、甲烷的裂解转化，提高了煤炭利用率，工业级KSY 装置可实现5000 t/d 单炉处理量。煤矿的选择对KSY 技术产业化进程及成果落地尤为重要，本文从煤种适用性出发，基于KSY 技术用煤指标分析试验数据，对适合KSY 技术落地的煤矿进行初步筛选，为KSY 技术产业化推广奠定基础。

1 KSY 技术用煤指标分析

1.1 哈氏可磨性指数

KSY 技术采用干法气力输送煤粉进料、固体物料循环流化气化和干法固体排灰。煤粉粒径分布对进料、反应器循环、反应等有很大影响。若煤粉粒径分布偏细，在输送进料过程中容易团聚架桥，影响流化床反应器的旋风效率等；若煤粉粒径分布偏粗，在输送进料过程中的气固比较高，输送效率低，会影响循环流化稳定性并降低煤粒反应速率等。

在煤的一般性质中，哈氏可磨性指数（HGI）是影响煤粉粒径分布的主要因素，循环流化床要求选用HGI中等的煤种作为原料煤，一般要求HGI 在50～60 及以上[2]。KSY 中试装置用煤考虑到煤粉的制备、进料方式以及反应器的类型，不宜选用HGI 过高和过低的煤种。煤粉在实际输送过程中存在一定程度的磨损，其粒径分布向相对较细的方向偏移。煤粉输送和进料系统运行较稳定，通过控制煤粉输送及进料载气分配，降低输送气固比，在一定程度上能降低煤粉磨损，但反应器内煤粉的磨损不易控制。KSY 中试装置试验用煤[崔木煤、下沟煤（来自彬长矿区）、杭来湾煤为试验用煤，亭南煤为备选煤]的HGI 与运行工况如表1 所示。

由表1 可知，煤种HGI 分布较低时，反应器一段旋风出口压差相对较低，旋风分离器效率较高,但磨煤机电流高，功耗高；煤种HGI 中等偏高时，磨煤机功耗低，制备的煤粉粒度较细，反应器一段旋风出口压差相对较高，一级旋风分离器效率较低，但二级旋风分离器可以捕集较细粒径的固体，降低细粒径固体颗粒对反应器正常运行的影响。综合分析，KSY 技术气化适合选用HGI 中等偏高的煤种，将HGI 在60～98 定为甲级指标、50～59 定为乙级指标。

表1 KSY 中试装置试验用煤的HGI 与运行工况

1.2 挥发分和灰分

煤的挥发分反应煤的燃烧特性，可用于煤种工业用途的判断，更是选取气化用煤的重要指标之一。煤的挥发分越高，活性越高，有利于气化的进行，但随着挥发分的升高，气化时焦油的产率也升高，过多的焦油会使后续除尘过滤器的压差过高，甚至堵塞滤芯，影响中试装置的正常运行，但深度转化炉的存在又可以将气化产生的焦油裂解[1]，所以KSY 技术气化用煤对挥发分的要求不高。对KSY 中试装置试验用煤的挥发分、固定碳和灰分进行分析，结果如表2 所示。

表2 KSY 中试装置试验用煤的挥发分、固定碳和灰分

由表2 可知，通过用煤燃料比初步判断，KSY 中试装置试验用煤为褐煤和低变质程度的烟煤，属于低灰、特低灰、高碳煤种，试验时气化效率较高，但为了维持反应器循环流化，需要定期向反应器内补充石英砂。考虑到KSY 技术工业化装置规模达5000 t/d，因此可以将KSY 工业气化装置建在适合的中高、高灰分煤矿坑口，改运煤为输气，可大大降低原料运输成本，实现煤炭的集中转化和集约利用，降低物流压力和安全风险。综合分析，KSY 技术气化可以选用高灰分煤种，将灰分≥16%定为甲级指标、5%～16%定为乙级指标。

1.3 焦渣特性和黏结指数

煤的焦渣特性（CRC）可以反映煤在燃烧或受热发生气化反应时煤粒是否会黏结在一起，黏结指数（GR.I）则能反映黏结煤粒间结合的牢固程度。结焦和结渣在循环流化床运行中比较普遍，会从不同程度上破坏稳定流态化。造成结焦和结渣的因素有很多，煤种CRC越大，越容易结焦，煤种GR.I相对较大时，在循环流化床中容易聚集形成较大颗粒或大块结焦块。为避免反应器内的结焦和结渣，试验期间对用煤的CRC 和GR.I尤为关注。KSY 中试装置试验用煤的CRC、GR.I如表3所示。目前KSY 中试装置已对CRC 在1～3、GR.I在0～20的煤种进行气化研究，气化炉均未出现结焦和结渣情况。综合分析，将CRC＜3 和GR.I＜5 定为甲级指标、CRC 在3～4 和GR.I在5～35 定为乙级指标。

表3 KSY 中试装置试验用煤的CRC、GR.I

1.4 煤对二氧化碳的反应性

KSY 技术原料煤粉的输送进料、压差吹扫气、管口保护气可采用二氧化碳和循环煤气，对于采用二氧化碳作为原料输送气、管口保护气的工艺，选择的煤种对二氧化碳的反应性越高，碳转化率越高；对于采用循环煤气作为原料输送气、管口保护气的工艺，选择的煤种对二氧化碳的反应性要求不是很高。试验煤种对二氧化碳的反应性曲线如图1 所示。

图1 试验煤种对二氧化碳的反应性

由图1 可知，在操作温度相同时，随着煤化程度的加深，煤对二氧化碳的还原率降低，KSY 技术快速气化炉的操作温度达982 ℃以上，在982 ℃时崔木煤和下沟煤等褐煤对二氧化碳还原率接近90%，而低煤化程度的烟煤亭南煤对二氧化碳的还原率不到60%。因此KSY 工业气化装置落地煤矿坑口煤种对二氧化碳的反应性可作为原料输送气、管口保护气等工艺选择的主要指标。

1.5 煤灰熔融性

煤灰熔融性可以反映煤在气化反应器内结渣的难易程度，循环流化床内难免存在流化死区或过氧高温区域，这些区域的热量不能快速扩散，当达到某一较高的温度时，煤中的矿物质被氧化或分解形成的金属氧化物就会发生软化并开始熔融，造成反应器内结渣。选择5 种对KSY 中试装置用煤的煤灰熔融性起主要作用的金属氧化物进行分析，结果如表4 所示。

表4 KSY 中试装置用煤灰熔融性温度和煤灰金属氧化物含量

由表4 可知，煤灰中的Al2O3和SiO2含量越高，煤灰熔融性温度越高，而Fe2O3、CaO 和MgO 含量越高，煤灰熔融性温度越低[3]。

流化床气化炉在灰熔融性温度允许的情况下，尽量提高操作温度，可以提高气化效率，但操作温度过高又会增加结渣风险，一般煤灰熔融性温度高于操作温度200 ℃～250 ℃时，气化炉能安全运行，KSY 技术快速气化炉的操作温度为982 ℃，选择灰熔融性温度在1182 ℃～1232 ℃的煤种更有利于装置高效、安全、稳定运行，目前主流的气流床气化技术受限于煤灰熔融性温度＞1500 ℃的高灰劣质煤，而KSY 技术采用干法排灰，不受灰熔融性温度过高的限制，所以选择灰熔融性温度＞1232 ℃的煤种，还可以增加KSY技术快速气化炉操作温度的提高空间。综合分析，将灰熔融性温度＞1232 ℃定为甲级指标、灰熔融性温度在1182 ℃～1232 ℃定为乙级指标。因此KSY 工业化装置可选择在亭南煤矿口布局。

2 煤炭矿区初选

我国西北地区煤种较为齐全，从褐煤到无烟煤均有分布，以低变质烟煤、长焰煤、不黏煤、弱黏煤、中黏煤为主[4]，神东煤炭基地是我国主要原煤生产区域[5]，研究其矿区煤种的各项指标对KSY 技术的适用性和落地具有一定意义。对神东煤炭基地东胜矿区原煤部分煤质指标进行分析[6-7]，结果如表5 所示。

2.1 煤灰熔融性

由表5 可知，大部分原煤的灰熔融性温度在1140 ℃～1300 ℃，经计算，达到KSY 用煤灰熔融性温度指标的煤种占72%，保德北部区混煤灰熔融性温度高于气流床气化技术受限温度。

表5 神东煤炭基地东胜矿区原煤部分煤质指标

2.2 哈氏可磨性指数

由表5 可知，神东煤炭基地东胜矿区煤种的HGI 在44～70，属于较难磨煤和中等可磨煤，经计算有44%的煤种能达到KSY 用煤乙级入门指标，有17%的煤种能达到KSY 用煤甲级优质指标。

2.3 结焦性和结渣性

神东煤炭基地东胜矿区有58.82%的煤炭的格金焦型为A 型，41.18%为B 型[6]，其中保德北部区混煤GR.I＜10，其余GR.I均为0，属于不黏、微黏结煤种，一般格金焦型为A 型煤种的半焦CRC 小于2，而B 型煤种半焦CRC 不大于3，表明矿区煤的黏结性、结焦性较差，难以作为传统炼焦煤使用。所以在结焦性和结渣性方面，除保德北部区混煤部分煤种外，基本都能达到KSY 用煤甲级优质指标。

2.4 灰分

由表5 可知，神东煤炭基地主要矿区煤种的灰分为4%～31%，从特低灰煤到高灰煤均有分布，仅考虑灰分，经计算有17%的煤种能达到KSY 用煤甲级指标，有78%的煤种能达到KSY 用煤乙级指标。

3 结论

3.1 通过KSY 中试装置试验用煤煤质指标分析，确定KSY 技术用煤煤种初选主要指标为HGI、结焦性和结渣性、煤灰熔融性、灰分。其中HGI 在60～98 定为甲级指标、50～59 定为乙级指标，CRC＜3 和GR.I＜5 定为甲级指标、CRC 在3～4 和GRI 在5～35 定为乙级指标，煤灰熔融性温度＞1232 ℃定为甲级指标、煤灰熔融性温度在1182℃～1232 ℃定为乙级指标，灰分≥16%定为甲级指标、5%～16%定为乙级指标。

3.2 神东煤炭基地东胜矿区72%的煤种的煤灰熔融性温度能达到KSY 技术用煤标准。

3.3 神东煤炭基地东胜矿区较难磨煤和中等可磨煤比重较大，只有17%的煤种的HGI 能达到KSY 用煤的甲级优质指标。

3.4 神东煤炭基地东胜矿区煤种的黏结性、结焦性较差，传统炼焦原料煤份额少，其黏结性、结焦性基本可达到KSY 用煤甲级优质指标。

3.5 在煤炭灰分方面，神东煤炭基地东胜矿区煤种从特低灰煤到高灰煤均有分布，有17%的煤种能达到KSY 用煤甲级优质指标。