气化用型煤制作技术探讨(三宁)

气化用型煤制作技术探讨
刘继前
摘要：由于煤炭价格上涨，煤化工企业感到危机重重，而在同等煤种条件下，末煤价格要比块煤便宜，不少煤化工企业开始寻求利用末煤制作型煤制气，以降低消耗。

关键词：型煤制作粘接剂腐植酸烘干煤棒机
2000年之后由于煤炭价格上涨，特别是块煤价格涨幅较大。

而煤的消耗要占煤化工总消耗的70%，这让一些煤化工企业感到危机重重，而在同等煤种条件下，末煤价格要比块煤便宜，不少煤化工企业开始寻求利用末煤制作型煤制气，以降低消耗。

在经历了不少阵痛之后，型煤制作与制气也逐步由步履蹒跚走向成熟。

下面笔者将与各位同仁共同探讨型煤制作的相关技术。

1、煤棒制作工艺流程分析
原煤→给料机→振动筛→粉碎机→埋刮板（皮带机）→配液双轴搅拌器→沤煤库↑↑
烟道灰、干棒返料配液（腐植酸钠）
→单轴搅拌器→煤棒机→烘干塔→造气料仓
型煤制作流程虽然较简单，但要注意流程的精简。

同时要重视一些必要环节。

譬如，有的厂家将烟道灰及煤棒干返料未掺入原煤再次做棒，认为烟道灰是干馏之后的煤，砂性较重、固定碳较低，掺入原煤后会对制棒及造气造成影响。

笔者认为掺入烟道灰的利要大于弊，烟道灰固定碳仍有60%有余，不亚于煤棒固定碳含量，同时烟道灰占煤棒计量的5%，数量较大，如果用作锅炉燃料煤或者卖掉产生的附加值较低，不利于经济运行。

另外，在原煤较湿的情况下（通常水分＞10%），烟道灰与湿原煤混合均匀后可有效吸附原煤中的水分，有利于腐植酸钠粘接剂被原煤吸附、进一步向原煤分子深层渗透，对稳定煤棒制作有积极作用。

另外，烟道灰与原煤一定要混合均匀，混合后最好沤制24小时，有利于水分吸附、分配均匀。

但过多的烟道灰将造成煤棒强度降低，在造气炉内热强度低，炉面粉化严
作者单位：湖北三宁化工股份有限公司尿素厂
重，制气阻力增加，气量下降、消耗上升。

２、粘合理论基础
通常对于高分子化合物的粘结理论比较成熟主要有以下两种：即吸附理论和扩散理论。

吸附理论认为：粘接剂与被粘物分子间是依靠范德华力（范德华力是存在于分子间的一种吸引力，它比化学键弱得多。

一般来说，某物质的范德华力越大，则它的熔点、沸点就越高。

对于组成和结构相似的物质，范德华力一般随着相对分子质量的增大而增强。

）相互作用而结合起来的。

粘合过程分两个阶段，首先是粘结剂中的高分子由于微布朗运动（悬浮微粒不停地做无规则运动的现象叫做布朗运动），迁徙到被粘物表面，高聚物分子的极性基团，逐渐向被粘物的极性基团靠近。

粘合的第二阶段是吸附作用，当粘合剂与被粘物分子间的距离小于５Å（１Å＝１０-10ｍ）时，分子间的力便发生作用。

对于任何物质的粘合，粘合剂与被粘物表面良好的润湿是一个重要条件。

润湿程度越高，被粘物表面的粘合剂铺展得越宽，越均匀，获得的粘合强度越高。

但吸附理论不能解释某些非极性分子高聚物也有很强的粘结力。

扩散理论认为：粘合作用是由于分子的热运动，引起分子链或链段扩散，使粘合剂与被粘物之间形成相互交织的牢固胶接。

粘合剂分子一般都具有较大的扩散能力。

若粘合剂与溶液的形式涂敷，且被粘物能在此溶液中溶胀或溶解，则被粘物分子也可向粘合剂扩散。

这两个过程都使相界消失，生成两个被粘物之间逐步过渡的融合部分，即形成了高强度的接头。

扩散理论能圆满解释各种因素对粘合强度的影响。

但是不能解释高聚物对金属、玻璃或其它硬性固体的粘合，因为高分子对这些材料能进行扩散，难以理解。

影响粘合强度的因素：
要分析影响粘合强度的因素，首先我们分析一下粘合接头的破坏的方式，粘合接头破坏方式主要有以下几种：①粘合性剥离，即粘合剂完全从被粘物上脱落②内聚性剥离，即破坏是沿着粘合剂发生或是沿被粘物发生③混合剥离，即粘合面部分脱离，同时粘合剂或被粘物又有部分破坏。

具体表现为
（1）分子量的影响，从扩散理论看，随着粘合剂分子量增加，易扩散到被粘物内的分子自由末端基数减少。

当分子量足够大时，由于位阻原因，中间链段难以渗入被粘物分子间缝隙内。

故相互接触的高聚物间形成的联系较弱。

相反随着
分子量降低，末端基数增多，扩散能力增大，因而粘合强度增加。

但分子量过低，粘合剂的内聚强度降低，因此也导致剥离强度降低。

所以中等分子量的高聚物应当有最佳的粘合强度。

（2）粘合表面粗糙度的影响，粘合表面粗糙时，粘合剂与表面之间不仅存在着通常的粘合，而且还存在着机械粘附，固化后保留在微孔中，因而使粘合强度大大提高。

（3）温度和压力的影响，在粘合时，温度升高扩散过程加强，有利于粘合强度的提高。

增大压力是为了达到最大的接触面。

从而使粘合强度提高。

对于理论基础，我们应根据实践，选择性的吸收。

３、煤、褐煤、烧碱
以上三种属煤棒制作重要的大宗原材料，在选择上要注意以下几点。

（1）煤
煤是古代植物埋藏在地下经历了复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物。

是一种固体可燃有机岩，主要由植物遗体经生物化学作用，埋藏后再经地质作用转变而成，俗称煤炭。

煤的活性与其成长的地质年代有关，生成年代愈久，化学活性愈小。

同一种燃料的化学活性随温度升高而升高。

燃料的化学活性也和燃料的地理性质有关：随堆比重、假比重、真比重和粒度的减小而增高；随孔隙率和比表面积加大而增高。

作为固定床煤气炉的气化过程，燃料应具有：固定碳高，反应活性好，灰分及挥发分含量少，灰渣无粘接性、机械强度大，热稳定性强、灰分的软化温度高、粒度均匀，含硫量低。

所以，原煤应以山西无烟煤为主。

煤棒制作需要煤场较大，便于配煤、风干湿煤，通常库存量应达到造气一个月的用煤量。

但煤场过大，投资也较大。

同时，存煤时间较长，煤在微生物作用下分解发热，会造成损失，所以，原煤入库后不要堆存太长时间，一般不要超过一个月。

各煤通过干湿搭配、煤种配比，控制水分在8%左右，充分混合均匀后方可进行过筛、粉碎。

有条件的话可将混合后的煤进行沤制24小时，让煤粒之间充分渗透，原煤入库后堆沤一段时间，经过软化，增加塑性，有利于制棒。

原煤太干与太湿都不利于煤棒制作，太湿之后，煤吸附水分达到饱和，再配制腐植酸钠溶液不能被煤完全吸附、渗透到煤粒之间，煤棒强度较差。

同时，因煤棒水分高，
在造气炉内干燥层水分急剧蒸发，也加剧了煤棒的进一步破碎。

原煤太干，煤粒内外水分较少，腐植酸钠粘接剂分子不能进行有效的布朗运动，使得粘接剂在煤粒的表面积较小，原煤粘接性能差。

同时，原煤太干后添加的粘结剂较多，造成褐煤、烧碱消耗上升，煤棒固定碳下降。

通常粘结剂的加入量控制在5%～10%为宜。

（2）褐煤
是煤化程度最低的煤。

一种介于泥炭与沥青煤之间的棕黑色、无光泽的煤。

化学活性强，挥发份高，含硫高，在空气中容易风化，不易储存和远运。

褐煤水分含量较高，通常在30%以上，但也说明燃料孔隙率高，吸附性强，具有较高的反应活性。

我国褐煤资源主要集中在山西、云南、新疆、蒙古、黑龙江。

选择褐煤应把握以下几点：
①腐植酸含量，通常在30%以上，有的高达60%。

由于腐植酸是一种高聚物，它是由分子量不等的同系物组成的混合物。

其分子量的大小取决于分子链基本结构单元与聚合度的乘积，而根据粘合理论，分子量的大小对粘合作用影响较大，中等分子量结构的腐植酸具有较强的粘结作用，同时腐植酸的结构链长对粘合影响也较大，所以，并不是说褐煤腐植酸含量越高粘合作用就越强。

②褐煤中的杂质不同，对燃料的活性影响也较大，其中以碱金属的氧化物杂质影响较大，碱土金属次之，碱金属或碱土金属杂质量增加时燃料的活性一般有所提高，但三氧化二铝、二氧化硅增加时则降低活性，所以灰分分析的含量高低并不能完全说明褐煤的正反影响。

③水分及硫含量越低越好。

总之，选择褐煤应以分析数据与具体实践相结合，应以提高造气气量、降低消耗为目标。

（3）烧碱
应使用符合国家标准的工业固碱或液碱。

液碱NaOH含量应达32％，注意NaCl 含量不能超标，否则对后工段的设备及工艺将造成危害。

为使用方便，减小劳动强度，建议用液碱较为合适。

４、制液
通常液碱与水的比例为1︰3，而褐煤添加量则根据腐植酸含量酌情添加，直至形成合格的腐植酸钠溶液。

保证溶液过量的碱性有利于腐植酸充分提取，也有
利于反应平衡向右移动，一般控制溶液的PH值在12左右。

但碱液太过量，作用并不十分明显，相反增加消耗。

这一点可以通过成品煤棒的颜色来判断，颜色较黑，无光泽，则说明碱偏小；颜色偏灰，光泽性强，则说明碱含量较高。

提高制液温度有利于加快反应速度，温度宜控制在90～105℃。

加褐煤之前溶液温度应加热到此温度，有利于褐煤充分反应。

但用挥发分较高褐煤制液时应将温度适当降低，否则褐煤中烃类气体遇热释放出来容易引起带液。

一般控制在60℃，待褐煤大部分反应后可逐步提高温度，使腐植酸充分反应。

同时成品液温度高，有利于增加流动性，使粘结剂在原煤中扩散、渗透、蒸发沤煤中水分。

腐植酸钠溶液的检验方法：用器具取样观察，溶液呈棕褐色，有光泽，溶液呈牵丝状下落或呈糊状不落，热液置于空气中表面能迅速结一层薄皮，溶液中无杂质或颗粒。

腐植酸与烧碱的反应速度起初很快，但随着生成物浓度的增加，加之有机反应比无机反应慢，所以，后期反应变慢，通常在1小时就能观察到溶液成型。

但此时溶液中仍有未反应完全的小颗粒褐煤，应加强搅拌，延长反应时间，并注意保温。

根据经验，后期反应应延长到8小时以上。

所以，多配置制液罐，（一般按1台造气炉配置1台φ2400×2500的制液罐）有利于提高褐煤利用率，降低消耗。

５、粉碎
粉碎粒度小，可以增大被粘物的表面积，这对粘合作用有利。

但粉碎粒度太小会增加粉碎的功耗，根据邦德裂纹粉碎理论：粉碎物料所需要的功与物料的直径或边长的平方根成反比。

这一理论表明，粉碎物料在粒度较小的情况下是很难再进行粉碎的，或者说再进行粉碎需要很大的功耗。

所以，笼式粉碎机钢条也不宜过密，太密将增加钢条消耗，影响粉碎机出力。

钢条的增减应结合粉碎机机型而定。

以前，制作型煤流程中增加了二次粉碎，对制棒有一定的促进作用，但作用并不十分明显.经过一次粉碎也能达到同样的效果。

通常粉碎粒度控制在3mm 以下，夹杂1%左右的5mm大颗粒煤也是允许的。

因大颗粒煤往往质地坚硬，在煤棒中可以起到骨架作用，这一点与混凝土中添加大卵石提高强度相似，但要注意搅拌混合均匀，配液时须经过二次搅拌。

６、配液
原煤配液多采用人工控制阀门，凭肉眼观察，控制沤煤水分在13%左右。

在
配制沤煤时最好能做到连续性配液，有利于粘接剂均匀分布。

利用PLC自动控制调节阀，根据原煤干湿合理调节配液时间，这也是一个发展方向。

此举可以降低工人劳动强度，减少人力投入。

关于沤煤时间也是一个值得探讨的问题，根据粘合扩散理论，沤煤时间长，有助于粘合剂分子向被粘物分子扩散，最终达到无相界互溶。

但沤制时间太长，沤煤水分蒸发较多，不能形成有效润湿，这与粘合吸附理论相违背，此时制棒时加水量大，粘结强度差。

另外，增加沤煤时间，需要有足够的堆沤空间，这对资源利用来讲也是不利的。

通常沤煤时间宜控制在48小时，如沤煤场地宽裕，可延长到72小时。

７、制棒
沤煤在煤棒机内通过螺旋挤压，此过程伴随着充分搅拌，实质上是一个小颗粒向煤粒缝隙逐步填充的过程。

同时沤煤温度升高，有利于粘合剂分子进一步向煤粒表面扩散，增大压力有助于获得最大的粘合面，从而达到最大的机械强度。

出棒温度高，不仅煤棒强度高，而且煤棒内水分蒸发较快，入烘干塔抗跌打能力强，烘干快，棒破碎率低。

腐植酸煤球的制作过程较短，期间温度上升较低，无粘合剂分子进一步扩散，所以，煤球的热态强度不如煤棒高。

在煤棒机的操作过程中应重视叶轮装配，如沤煤偏湿，机头端可选择螺旋面较大的叶轮，后端可选择螺旋面较小的叶轮，降低沤煤的推移速度，逐步通过机械挤压、搅拌提高沤煤温度，增大出机煤棒机械强度。

如沤煤偏干，机头端可选择螺旋面较小的叶轮，并适当控制加水量。

在制棒过程中应尽量控制棒机加水量，因加入水后会影响粘合剂的渗透，且水加入后未经过充分搅拌、沤制，影响棒的强度。

煤棒机叶轮转速对棒质也有一定影响，因煤粒有一定的弹性，在挤压过程中，会发生弹性回复，当出棒机后，煤棒内力释放，会产生裂纹。

叶轮转速慢有利于煤粒弹性回复的缓冲，对制棒有利。

特别用弹性较强的山西煤制棒时，这种现象较为突出。

但棒机转速过慢，产量较低，电耗上升。

所以应选择较为合适的转速，一般不超过130r/min.，同时叶轮的螺旋升角以不超过23°为宜。

８、烘干
煤棒烘干后，水分降低到3%～5%，有利于增强煤棒入炉后的热态强度，减少造气炉内热量损失，提高单炉发气量。

通常作为烘干的介质有热空气烘干，三气
及锅炉烟气烘干。

（1）固体物料的干燥机理
物料的水分包括平衡水分和自由水分。

如将某一物料与一定温度及湿度的空气相接触时，物料将被除去或吸收水分，直到物料表面所产生的水蒸气压力与空气中水蒸气分压相等时为止，而使物料的含水量达到一定的数值，此数值称为该空气状态下此物料的平衡水分。

由此可知，只有使物料与相对湿度为零的空气相接触，才有可能获得绝干的物料，所以物料中总有一部分平衡水分不能除去。

自由水分是指在一定的空气状态下用对流干燥的方法可以除去的水分。

物料干燥包括表面气化控制与内部扩散控制。

当物料的含水量超过其所在条件下的平衡水分并与干燥介质直接接触时，由于存在湿度差，物料内部水分借扩散作用向其表面移动而在表面气化。

由于干燥介质连续不断地将所气化的水分带走，从而达到使固体物料干燥的目的。

空气的温度越高，湿度越低，速度越高，与被干燥物接触越充分，则干燥越快。

反之则干燥越慢。

（2）烘干控制要点
立式烘干塔将干燥介质分散，使干燥介质充分与煤棒接触，其干燥效果及效率要优于卧式翻板窑。

所以，在选用烘干塔时应优先选用立式烘干塔。

下面以立式烘干塔为例来分析煤棒的烘干过程。

当成型的煤棒出棒机后进入烘干塔上层，此时煤棒水分较高，一般在8%左右，烘干处于表面气化控制阶段，此时应加大风量，提高温度，使煤棒的自由水分在较短时间内除去大部分，这样煤棒的机械强度很快得到提高，在煤棒由塔上而向下沉降的过程中不至于因相互挤压而破碎。

所以就烘干塔料仓的气体分布而言，根据经验，中上部的气量要占总气量的60%，中下部的气量占40%。

上部气量也不宜太大，这样会造成下部气量过小，而煤棒在料仓中逐步下移的过程也是煤棒烘干由表面气化控制逐步向内部扩散控制转移的过程。

当煤棒的水分越接近平衡水分，干燥速率越慢，此时如果气量过小，煤棒内部水分很难扩散到表面，从而形成湿棒。

同时，上部气量过大，烘干介质与煤棒换热时间较短，热量损失较大。

一般来讲，烘干处于表面气化控制阶段，介质的流速、湿度对烘干影响较大，流速越快，相对湿度越小，干燥越快。

反之，干燥越慢。

通常烘干进塔风压控制在
70～100㎜水柱。

当烘干处于内部扩散控制阶段时，即煤棒水分越来越接近平衡水分时，增加介质的流速并不能提高干燥速率，而介质的温度对烘干的影响较大，温度越高，干燥速率越快，反之越慢。

当然，在烘干过程中以上两种控制阶段总是并存，只是在不同阶段以哪种控制为主。

（3）烘干介质选择
对于烘干介质，有利用“三气”炉烟气直接烘干、锅炉烟气直接烘干、烟气加热空气烘干、热风炉烘干、蒸气加热空气烘干。

现分别阐述其利弊关系。

利用烟气烘干，可回收余热，投资省，但烟气中的酸性气体会腐蚀烘干塔及附属设备。

同时，烟气所带来的粉尘会形成二次污染。

另外，“三气”炉烟气中含有一定的水蒸气，增加了烘干介质的相对湿度，不利于煤棒水分的表面气化与扩散。

利用热风炉烘干，可解决上述矛盾，但烧热风炉消耗较高，有数据表明，热风炉的耗煤量占整个造气耗煤量的2%，同时还需增加人工投入，所以这是一笔不小的开支。

利用蒸气加热空气烘干，整个操作控制较为方便，但蒸气在热量转换过程有热量损失，效率仅在90%左右，不利于经济运行。

烘干1吨煤棒平均蒸气消耗在300kg左右，所以用蒸气烘干煤棒的消耗是较高的。

笔者认为用烟气加热空气，作为烘干的介质来源较为合理，虽然换热后介质温度只有90～100℃，但并不影响烘干效果，同时也回收了余热。

烘干介质温度宜控制在90～110℃较为合适，温度过高，出烘干塔的烟气温度也高，热量损失较大。

所以采用中温烟气，多增加烘干塔料仓，延长烘干时间的烘干方式是较为经济合理的。

９、煤棒制作的设备布局及选型
煤棒制作设备实质上是各种不同运输设备的不断延伸，在布局时要充分利用空间，精简运输路径，降低电耗。

设备宜选用大型设备，提高效率，节省人力。

同时在设计时应确保设备本质安全，安全防护装置及通道标准化。

对灰尘较大的地方要进行除尘处理，除尘器的选择最好是袋式除尘器，对煤粉尘可再回收利用。

１０、煤棒制作经济分析
下面是生产一吨煤棒各项加工费用列表
注：减去褐煤、液碱所占的比例，实际加工成本为64.81元/t。

煤棒制气与块煤制气的成本比较
生产一吨合成氨，用煤棒制气的煤耗是1.6t,目前末煤的价格为600元/t,煤棒加工费用为64.81元/t,则生产一吨合成氨的煤耗成本为600×1.6×90%+1.6×10%×230+64.81=965.61元
生产一吨合成氨，用块煤制气的煤耗是1.2t,块煤的价格按900元/t计,则生产一吨合成氨的煤耗成本为900×1.2=1080元，两者相差
1080-965.61=114.39元
按年产50万吨的合成氨装置计算，煤耗成本节约=114.39×50=5719.5万元虽然煤棒制气带来的经济效益较为可观，但带来的负面影响也较大，主要是环境污染较大，装置投入较大，劳动力投入较多，应加强环境治理，提高自动化程度，选用较好耐磨材料，力求现场本质化安全。