杨 扬
(太原煤炭气化(集团)有限责任公司,山西 太原 030024)
煤气化是煤炭清洁化利用的重要途径之一,煤气化作为化工原料气的基础,是实现煤炭加工利用的关键环节。太原煤气化公司因公司发展煤化工项目需要,对保德(白家沟)、轩岗及龙泉等煤矿的煤质情况进行了调查,以了解几个煤矿的主要煤质及特征性能,并对其能否适用于气流床气化等性能指标进行了分析研究。
从初勘资料看,神东煤田保德(白家沟)煤矿,属高灰分、高灰熔点煤,8#灰分质量分数(Ad%)在16.0%~17.0%,属中等可选;13#灰分质量分数(Ad%)在12.0%~14.0%,属中等可选。本次实验保德北即8#煤,保德南即13#煤。
轩岗矿是以生产动力煤为主的煤炭公司,属宁武煤田,目前生产能力约750万t/a。所采煤层主要为5#、6#及2#煤。
5#煤黏结指数(浮选后)可达83,可作为炼焦配煤,其他煤主要为高灰分、高灰熔点的动力用煤。2#煤的内灰质量分数达14.6%。本次实验采用轩岗2#、5#煤。
龙泉煤为高灰分、高灰熔点的气煤。从目前所掌握的基础数据看,除少量洗精煤可作为炼焦配煤利用外,其余主要作为动力用煤。
几种煤样的煤质分析数据见表1。
表1 煤样煤质分析
通过常规数据分析发现,本次实验煤种灰分质量分数>25%,灰熔点>1 500℃,属高灰、高灰熔点煤。
目前,受所用炉型限制,气化用煤对煤质有不同的要求。以大型气化常规炉型看,主要以Shell气化、水煤浆气化为主流工艺。
3.1.1 Shell气化
Shell气化工艺技术较为成熟,是目前国内化肥等化工生产煤气化采用较多的炉型(国内也有采用航天炉,原料要求基本一致),其对煤质要求相对低、范围广。但为保障生产过程的稳定性和经济性,仍对煤质有较高要求,即,
w(水分)<8%,w(固定碳)>50%,w(硫)<1%,w(灰分)≯25%,K<6.5[k值见式(1)],m(SiO2)/m(Al2O3)控制在1.8~2.3。
根据预期选用的煤种,并结合低成本原则,可以石灰石(碳酸钙)形式提供CaO作为助熔剂。添加助熔剂将或多或少增加运行成本和建设投资,但可以通过降低气化炉操作温度、节约氧耗和煤耗来补偿。助熔剂的加入量,采用煤灰分中不超过25%的助熔剂比例(利用灰分中CaO的质量分数定义)来设计。
总之,对于液态排渣的Shell煤气化炉,选择灰熔融温度低和灰渣流动性好的煤对生产有利。
3.1.2 水煤浆气化
水煤浆是目前应用成熟的大型煤气化工艺技术,其主要用于高活性、低灰熔点、易成浆的煤炭气化。其主要用煤特性有:
1)低内水——内水含量越低,越有利于制备高浓度的煤浆。内水大于8%是不经济的。
2)低灰分——灰分越低,越有利于气化。灰分小于13%能够经济稳定运行。对于高灰分煤种,则有待于在设备、管道、阀门材质及结垢方面做大量的工作。
3)低灰熔点——选择灰熔点小于1 300℃的煤质有利于经济稳定运行。
4)煤质稳定性——选择化学活性高、可磨性好、灰渣特性好的煤种,是实现运行稳定的关键。
由于化工用煤主要是用于气化,因此,重点对煤的灰熔点等进行分析,以探讨其可用于气化的工艺可行性。
受各方面因素所限,目前,常规的固定床气化一般不作为推荐的技术,而以Shell、水煤浆气化为主要的选择。通过常规数据分析发现,5种煤的灰熔点都大于1 500℃,属于高灰熔点煤,远高于国内常用的气化炉对入炉煤的灰熔点要求,无法直接用于气化。
3.2.1 施特诺系数计算
灰熔点是气化用煤关键指标之一,是对煤灰可流动性认定的一项简单判别指标。施特诺系数是用来简单判断气化用煤的较准确指标。采用施特诺系数K可对灰熔点进行简单判断,其计算公式见式(1)。
以K>5为难熔灰,所以控制K≤5。实际生产中一般气化原料煤控制在K≤6.5。
按照此次采样的分析数据,其K值计算结果为:
龙泉煤(煤化所分析数据):
可以看出,各煤种的灰熔点都不满足生产需要。
3.2.2 石灰石添加量的计算
从3.2计算可看出,上述几种煤都达不到气化基本指标,需配加石灰石进行调节。配加石灰石使各煤种K值达到5时的理论计算数据为:
经计算可以看出,理论上需要配加CaO的量最少约为灰量的2%,最多约为灰量的12%。
3.2.3 添加石灰石后的灰熔点研究
对几种煤进行添加CaO后的灰熔点实验(结果见表2),添加量分别定为2%、5%、10%、20%。
表2 添加CaO后的灰熔点分析数据
根据对几个煤矿煤质的分析,结合化工用煤气化炉的基本要求,可以认定,上述几个煤矿的煤质不适合直接用于煤气化生产。
由于几个煤矿均为高灰熔点煤,所以水煤浆肯定不适应,可以采用的气化工艺首选是Shell气化工艺(或航天炉)。该工艺对灰熔点的基本要求是不大于1 450℃。
经计算,达到1 450℃,均需要大量配入石灰石(见表3)。分析可知,石灰石添加量最少的为5#煤,为每100t原料煤添加2.94t石灰石。但此时煤的原始基础灰分已经达到了30%左右,这样入炉的气化原料灰分在40%以上,无法保障气化炉的正常稳定运行,经济性也肯定很差。
表3 添加CaO量折合成石灰石的量
Shell气化是目前最高温度的气化方式,其核心要素是要保障煤气化过程中炉灰的合理流动。因此,为保障煤灰的正常流动,入炉灰分的K值应<5.0。当煤灰成分不满足要求时,通过补加CaO进行调节。以龙泉矿为例(根据煤质报告提供的基础灰分数据测算),其煤灰成分均达不到K值要求,尤其是2#煤,其K值高达11.88,要调节到<5.0需要补充大量的石灰,其经济性显然不合理。因此,2#煤用于Shell气化不具备可行性。
考虑到总体投资的可行性,龙泉井田及保德、轩岗煤将不适合直接采用Shell气化(轩岗5#煤灰分高且煤质不稳定,也不适合)。
可行的办法是进行配煤,配入低灰熔点的煤可以解决气化难题。以龙泉矿为例,配入约30%的府谷煤可以实现正常的气化。
1)几种高灰熔点煤不能直接用于Shell及水煤浆气化。
2)实验用煤在直接添加石灰石后不宜用于气化。
3)配加低灰熔点府谷煤是可行的气化方法,但仍需要进行气化可行性的基础数据分析,主要是煤的黏温特性、黏结特性方面的测试,有待于进一步确定其可行性。
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