水煤浆气化用煤要求及煤种选择与采样程序

水煤浆气化用煤要求及煤种选择与采样程序

张华新刘汉勇(山东华鲁恒升集团有限公司，山东德州 253024) 2002-12-16

煤气化对原料煤的要求较高，即一种气化工艺，适用于一定的煤种。例如，固定床气化制氨，原料以无烟块煤为主，液态排渣的粉煤炉要求用挥发分较高、灰熔点较低的气肥煤等。因而，煤种的选择和煤种采样的代表性十分关键，许多煤气化工艺的化工企业，由于选择原料不当，严重地影响了生产的正常进行。

作为第二代煤气化技术的水煤浆气化工艺对原料煤的要求也很严格，在煤种的选择和取样上有一定的程序和方法。

1 煤质调查分析的程序

煤种调查分析程序一般分为：①煤矿普查。根据装置所处的地理位置和交通情况及煤质要求，由近及远有目标的选择煤矿。首先选择生产烟煤的煤矿，再考虑煤矿的煤炭品质。②煤质调研。通过不同的信息渠道宏观了解不同的煤质情况。③搜集煤矿的生产、供应、经营等情况。根据搜集的煤质数据和气化煤质要求，确定拟选择的煤矿。④确定候选煤矿。在满足气化生产煤质要求的条件下，根据不同煤矿的煤炭储量、可开采时间、生产规模、质量保证、煤价(指到厂煤价)等情况，综合考虑确定候选煤矿。⑤煤种取样。气化煤种取样可直接在选定的煤矿、选定煤层(或开采面)、煤质能基本达到气体煤质要求的商品煤堆上进行取样。

2 水煤浆气化工艺对原料煤的要求

水煤浆气化炉工艺原则上在高于灰熔点50～100℃以上的温度下操作，以便于顺利排渣，根据德士古水煤浆气化厂的生产经验，水煤浆加压气化用煤选择原则应以煤的“气化性能及稳定运行性能”为主。

2.1 煤的灰分含量

灰分是煤中的无用形式成分，为使其能顺利地以液态形式排出水煤浆气化炉，必须将温度升至其灰熔点以上，无谓的增加了氧气消耗。有资料表明，在同样的气化反应条件下，灰分每增加 1％，氧耗增加0.7％～0.8％，煤耗增大1.3％～1.5％；其次灰分增加，使烧嘴和耐火砖的磨损加剧，寿命大大缩短，同时灰、黑水中的固含量升高，系统管道、阀门、设备的磨损率大大加剧，设备故障率提高。

灰分含量高对成浆性能也有一定的影响，除使煤浆的有效成分降低之外，还使煤质的均匀性变差，消弱了煤浆分散剂的分散性能，在相同的情况下，对提高煤浆浓度不利。建议所选煤样的灰渣干基含量不高于13％。

2.2 煤的最高内水含量

煤的内水含量对气化过程的主要影响表现在对成浆性能的影响，一般认为煤的内水含量越高，煤中的O／C越高，含氧官能团和亲水官能团越多，空隙率越发达，煤的制浆难度越大。煤质对成浆性能的影响是多方面的，各影响因素之间密切相关。煤的内在水含量越高时所制得的煤浆浓度越低，而且使添加剂的消耗、煤耗、氧耗均有一定的增加，综合技术与经济2方面考虑，水煤浆加压气化原料用煤的最高内在水含量以小于8％为宜。

2.3 煤渣的熔融特性

煤灰的熔融特性是煤的灰熔点(还原条件下)，煤的灰熔点以低于反应温度50～100℃为宜(熔融温度T3)。若煤的灰熔点提高，为使气化炉顺利排渣，必须将气化炉的反应温度提高至煤的灰熔点以上，温度提高使气化炉耐火砖的寿命相应缩短(气化炉的操作温度每提高100℃，耐火砖的磨蚀速率增加2倍)，氧牦、煤耗增加。为了降低操作温度必须加入助熔助，而助熔剂的加入会增加煤中惰性物质含量，使耐火砖磨蚀加剧，提高了制浆成本，固体灰渣处理量增加，灰渣水系统的结垢量上升。

煤的灰熔点以低于1300℃为宜，考虑到煤的气化效率及耐火砖的使用周期等方面的因素，最好的煤种灰熔点在1250～1300℃，如果原料煤的灰熔点太低，由于生产条件下煤灰的黏度降低，也会加剧对耐火砖的侵蚀，较低灰熔点的煤种可以通过配煤来解决。

2.4 灰的粘温特性

黏度是衡量流体流动性能的主要指标，要实现气化温度下灰渣以液态顺利排出气化炉，黏度应在合适的范围之内，既要保证在耐火砖表面形成有效的灰渣保护层，又要保持一定的流动性。根据国内外对液态排渣锅炉的研究指出，灰渣的黏度应在25～40Pa·s之间方可保证顺利排渣，水煤浆气化炉在操作温度下灰渣黏度控制在25～30Pa·s为宜。

影响灰渣黏度的主要因素是煤灰的组成，即灰成分。煤灰的主要矿物质成分是Al2O3、SiO2、MgO等，通过调查研究表明：Al2O3是灰渣熔点升高、黏度变差的主要成分。Al2O3含量越高，煤灰的流动温度越高；Al2O3含量高于40％时，煤灰的流动温度大于1500℃。

MgO含量一般很少，MgO又和SiO2形成低熔点的硅酸盐，起到降低灰融熔温度的作用。

SiO2是煤灰成分中含量最高的组分，使煤的灰熔融特性变差，黏度升高，但它与其它的组分(CaO)可以形成低熔点的物质，因而可依据其含量，在一定范围内添加CaO以消弱对灰黏度的影响。

CaO是降低灰熔点的组分，与SiO2形成低熔点的硅酸盐，因而CaO是最常用助熔剂组分，但其含量过高则析出CaO单体，反而使灰熔点升高，黏度增大。其添加量应控制在与灰分之比为20％左右。

Fe2O3也是降低灰熔点及灰渣黏度的组分，因为Fe2O3在还原气氛下被H2或CO还原为FeO，FeO与灰渣中的SiO2和Al2O3形成低熔点的共熔物。Fe2O3含量低于20％的煤灰，Fe2O3含量每增加1％，煤灰的软化温度平均降低18℃。

K2O和Na2O含量增高，煤灰熔融温度显著下降，每增加1％，煤灰的流动温度平均降低16℃。

2.5 煤灰的焦渣特性

灰渣黏度是煤灰的高温特性，是指测定煤挥发分后所残留下焦渣的特性，共分8类，序号越大粘结性越强，一般认为水煤浆加压气化工艺的原料煤结渣特性应为1～2类。

2.6 煤的挥发分

原料煤的挥发分代表一种煤的变质程度，变质程度越大，燃烧火焰越长，反应活性越好。煤的内在水分与挥发分有一定的关系，当煤的挥发分在25％±5％时内在水分最低；大于30％，随着挥发分的增加而增加；当大于40％时，增加较快；小于20％时，随着挥发分的降低而增加。煤的变质程度越高，成浆性越差。

2.7 煤的硫含量

对气化操作的本身并无显著影响，但生成的煤气只要高于露点温度操作，即可避免设备腐蚀，硫含量的高低对甲醇洗工序的影响很大。

2.8 煤的可磨性

煤被破碎的难易程度称为煤的可磨性，不同的煤有不同的可磨性指数。煤的可磨性直接影响磨机的工作状况，既影响水煤浆的产量和质量又影响磨机的消耗。

2.9 水煤浆配煤技术

煤料的反应性、成浆性、灰熔融温度是衡量煤种适应能力的主要指标，无烟煤反应活性低，褐煤成浆性差，均不适宜于水煤浆气化，最适宜的是长焰煤、气煤等。同时还应注意到煤灰在还原性气氛下的流动温度和粘温特性。

对煤质的一般要求如下：①主要指标：放热量达25.121MJ／kg，越高越好；煤灰的流动温度在1300℃为宜，过高过低都不利于气化；煤中灰的含量不得高于13％，越低越好。②次要指标：考虑到煤浆的制备、泵送特性、煤的反应活性及气化效率，则全水分含量越低越好，挥发分含量越高越好，固定碳含量适中为好，煤中有害元素硫、氯、砷等越低越好；可磨性指数越大越好。

配煤的理论依据：所选用煤种的放热量在22.00MJ／kg以上，并且放热量高的与放热量低的搭配，使煤的发热量达25.12MJ／kg以上；成浆性、灰分等指标达到水煤浆气化技术的最低要求；采用不同煤种的混配以改变煤灰组成降低灰熔融温度，即：将煤灰组分中MgO、Fe2O3、K2O、Na2O含量高的煤与灰熔融温度较高的煤混配来降低灰熔融温度。

3 采样矿点的选择