屯留下组煤添加助熔剂降低灰熔融性温度的试验研究

薛慧峰，姚 田

（1.山西工程职业学院，山西 太原 030009；2.山西阳光焦化集团股份有限公司，山西 河津 043300）

引言

长治煤间接液化项目工程，如果用屯留矿煤作为气化原料，采用液态排渣气流床气化工艺，由于液态排渣气流床气化工艺对原料煤的灰熔点有一定的要求，所以很有必要研究屯留矿煤的煤灰熔融特性[1]，为选择具体的液态排渣气流床气化工艺，即GSP、壳牌还是水煤浆德士古工艺，提供基础数据。

屯留矿有2 个可采煤层，即3#煤层和9#煤层，习惯上把9#煤层称作为下组煤。由于这2 个煤层的生成年代不同，加上下组煤为高硫煤，且煤灰中Fe2O3含量较高，所以这两组煤的煤灰熔融特性会有一定的差异，为此在详细研究了3#煤煤灰熔融特性的基础上，特开展了下组煤煤灰熔融特性的研究。

本项目主要研究屯留下组煤的煤灰组成和煤灰熔融性特征，探讨通过添加助熔剂[2]降低灰熔融性温度的可能性，以及与3#煤的有关性质的对比。

1 屯留下组煤与3#煤灰熔融性分析

屯留下组煤和3#煤的灰成分和灰熔融温度见表1，从本次试验结果来看，屯留下组煤的灰熔融性软化温度ST 为1 460 ℃，灰熔融性流动温度FT 为1 480 ℃，作为GSP 气化工艺的原料灰熔点略有偏高，勉强可以。

表1 屯留下组煤与3#煤的灰成分及其熔融性

下组煤与3#煤相比，煤灰熔融性特征温度都偏低，初步估算偏低约50 ℃。这主要是由于煤灰成分中Fe2O3质量分数增加10%左右的缘故。综合起来看，Fe2O3质量分数和CaO 质量分数增加了7.34%。

由于3 种液态排渣气化技术的灰熔融性软化温度ST 的要求分别为水煤浆德士古气化技术为1250℃，壳牌气化技术为1 350℃，GSP 气化技术为1 450℃，所以原则上讲，屯留下组煤在不加助熔剂的情况下，勉强可以作为GSP 气化技术的原料，但不宜作为壳牌气化技术和德士古气化技术的原料。

由长期实践表明，煤灰中的Al2O3是影响灰熔融性软化温度和流动温度的主要成分。如w（Al2O3）＞20%的煤灰，其ST＞1 250℃，w（Al2O3）＞30%时，煤灰的ST普遍增至1 350℃以上，而w（Al2O3）＞35%的煤灰，则ST 多大于1 400℃，至于w（Al2O3）＞40%的煤灰，其ST 几乎都大于1 500℃。

灰中的Al2O3质量分数的变化范围较大，从7%至45%以上均有，但其中大部在20%～40%左右变化。对w（Al2O3）＜20%的煤，其ST 普遍低至1 300℃以下。

屯留下组煤灰中Al2O3的质量分数在33%左右，该值正好处于熔融性软化温度ST 在1 500℃左右的位置，可以通过添加碱性物质的办法降低煤灰熔融性温度，因此，从理论上讲，屯留下组煤添加助熔剂后，可以降低煤灰熔融性温度。

与3#煤的对比可以看出，屯留下组煤和3#煤灰中Al2O3的质量分数都在33%左右，因此，降低灰熔点的极限应差不多。

2 降低煤灰熔融性的途径

从目前的技术水平来看，无论是试验研究还是工业应用，降低煤灰熔融性的技术途径主要有添加助熔剂和掺配低灰熔融性的煤两种。助熔剂主要是含CaO 和Fe2O3的物质。低灰熔点的煤，潞安矿区没有资源。因此，应采用添加助熔剂的方法来降低灰熔点。

含CaO 和含Fe2O3物质是最佳的助熔剂，但石灰石[3-4]是最优选的碱性物质，虽然有些化工渣也有很好的效果，而且相对也比较便宜，但是由于化工渣中不可避免地含有一些有害成分，而且数量、质量都不稳定，所以以选用石灰石为好。而且长治地区也有丰富的石灰石的资源，经济性也是最好的。选用石灰石还是选用氧化钙入炉，这要从气化效率方面进行考虑。

3 助熔剂氧化钙的添加量试验

按比例称取一定量的氧化钙和一定量的屯留下组煤煤样，充分混匀后灰化，按《GB/T 219 煤灰熔融性的测定方法》测定煤灰的熔融性。不同氧化钙添加量降低灰熔融性的效果见表2 和图1。

表2 不同CaO 添加量时灰熔融性

图1 添加不同CaO 后的灰熔融性变化

可以看出，添加CaO 后能有效地降低灰熔融性温度，软化温度ST 可降低到1 220℃，流动温度可降低到1 230℃，总降低幅度为16%；添加2%CaO 后，灰熔点的降幅很大，为120℃；但添加4%CaO 后的降幅很小，只在添加2%CaO 的基础上降低了20℃；随着CaO 添加量增加到7%，灰熔点几乎不降低，甚至有上升的过程；CaO 添加量从7%到10%，灰熔点由1 330℃下降到1 220℃；CaO 添加量从10%开始，灰熔点降低到极点，然后开始增加。

研究结果表明：屯留下组煤添加2%CaO 后，灰熔点ST 已经下降到1 340℃，再增加CaO 添加量，灰熔点的降低幅度不明显，因此，对下组煤而言，经济的CaO 添加量为2%～3%，折合成石灰石添加量为3.6%～5.4%。可以基本满足GSP 和壳牌气化工艺的要求。

添加4%CaO 后，灰熔点下降得不明显主要是由于该煤的灰分较高所致。也就是说添加量从2%～7%，灰熔点没有什么变化，基本相同。

同时，本次试验研究添加氧化钙后灰分情况（见表3），屯留下组煤干基灰分（Ad）为30.06%，如果添加2%的CaO，灰分产率（Ad）在31.45%，灰分（Ad）增加率为3.45%，对气化性能基本无影响。

表3 潞安屯留3#煤降低灰熔融性试验数据

4 氧化钙和石灰石选择性分析

从降低灰熔融性温度方面讲，用氧化钙和石灰石作助熔剂具有同等效果，各厂可根据工艺、经济等实际情况自主选择。

4.1 反应效率影响

原料煤的反应性是煤气化的重要指标，从一般经验来讲，添加CaO 或添加石灰石将明显增加原料煤的反应性，对气化有好处，所以应注重研究添加CaO 或添加石灰石后对反应性的影响。

从气化角度讲，两者热效率是不一样的，因为石灰石分解需要一部分能量，而且也有很多CO2放出，CO2也有可能还原成CO，煤气的产率和组成将会有一些的变化。

4.2 工艺添加方式影响

从试验研究方面讲，添加方式对试验结果不会有很大的误差，但在实际工业利用中，不同的添加方式对效果有很大的影响，这主要有添加的均匀性问题。

4.3 产物灰渣使用途径影响

一般认为，灰渣中CaO 含量高，对灰渣作建材有好处，有的电厂为了灰渣能够较好使用，还特地在煤中添加石灰石以调整煤灰中的CaO 含量和比例。

灰渣能否有价值的使用对煤基合成油的经济效益将产生重要的影响，因为灰渣利用的效益是双重的，如能有效利用一方面可以产生效益，另一方面可以减少排污的费用，反之亦然。

5 结论

1）屯留下组煤由于煤灰中的Fe2O3含量较高，煤灰熔融性温度相对较低，ST 为1460℃，FT 为1480℃。

2）屯留下组煤可以通过添加氧化钙（CaO）的方法，有效地降低煤灰熔融性温度。

3）屯留下组煤添加2%CaO 后，灰熔点ST 即可下降到1 340 ℃，可以基本满足GSP 和壳牌气化工艺的要求。因此，经济的CaO 添加量为2%～3%，折合成石灰石添加量为3.6%～5.4%。

4）由于本次试验研究煤样的灰分较高，CaO 添加量的增加，对灰熔点的影响不敏感。