“三高”煤用于航天炉加压煤气化降低灰熔点的研究

樊广燕 ， 王国夺 ， 蔡云云 ， 刘泽庞 ， 朱丽萍

(河南晋开化工投资控股集团有限责任公司 ， 河南 开封 475003)



“三高”煤用于航天炉加压煤气化降低灰熔点的研究

樊广燕 ， 王国夺 ， 蔡云云 ， 刘泽庞 ， 朱丽萍

(河南晋开化工投资控股集团有限责任公司 ， 河南 开封 475003)

大型煤气化技术是煤炭清洁利用、高效转化的核心技术，经济、高效、稳定的煤气化技术对煤化工企业的生产、发展至关重要。通过对晋城“三高”煤(高硫、高灰、高灰熔点)的煤质特性进行分析，采用配煤方式降低煤的高灰熔点特性，通过添加石灰石，降低灰熔点和改善黏温特性。研究表明：添加2%的石灰石能够满足大型煤气化航天炉排渣要求。

航天炉 ； “三高”煤 ； 石灰石 ； 灰熔点 ； 黏温特性

0 引言

“三高”煤是指高硫、高灰、高灰熔点的煤炭，“三高”煤的清洁综合利用符合国家产业政策，是我国煤化工发展的方向。

河南晋开化工投资控股集团有限责任公司是山西晋煤集团的控股子公司，晋煤集团拥有丰富的“三高”煤资源，据估算，“三高”煤储量高达120亿t，占总可采储量的40%[1]。因此，发展“三高”煤的洁净化利用具有广阔的前景。实现“三高”煤的高效、洁净化利用不但可以解决生态环境问题，还可以减少我国能源压力，又能提升企业的可持续发展能力。为了“三高”煤的洁净化生产利用，寻求先进的、合理的煤气化技术成为大家最关注的问题[2]。加压气流床气化易于大规模化，代表了当今气化的发展方向[3]。航天粉煤加压气化技术作为气流床气化技术中的一种，有着技术先进、节能环保、煤种适应性广等优点，是“三高”煤作为原料的首选煤气化技术。

1 大型航天炉粉煤加压技术

大型航天炉(HT-L)粉煤加压气化技术是北京航天长征化学工程股份有限公司(简称“航天工程公司”)具有自主知识产权的粉煤加压气化技术，该技术可广泛应用于煤制合成氨、甲醇、烯烃、乙二醇、天然气、油、氢等，整体煤气化联合循环(IGCC)发电以及多联产等多个生产领域[4]。

HT-L粉煤气化技术工艺原理为原料煤经过磨煤、干燥后，用N2进行加压输送，将粉煤输送到气化炉烧嘴。干煤粉(80 ℃)、纯氧气(200 ℃)、过热蒸汽(420 ℃)一同进入气化炉气化室，瞬间发生升温、挥发分裂解、燃烧及氧化还原等物理和化学过程。生成的1 400～1 600 ℃的合成气经过换热、冷却后，出气化炉的温度为210～220 ℃，再经过文丘里洗涤器增湿、洗涤，和洗涤塔进一步降温、洗涤，产出温度约204 ℃、粉尘含量<10×10-6的粗合成气。HT-L粉煤气化炉为航天粉煤加压气化装置核心、关键专利设备。粉煤、氧气、蒸汽按一定比例通过燃烧器进入气化炉，在气化室中进行燃烧气化反应，生成的含有高温熔渣的粗合成气，一部分高温熔渣挂在复合水冷壁上，形成稳定的抵抗高温的渣层，其余熔渣和粗合成气进入激冷室。粗合成气在激冷室中被激冷水激冷降温，并蒸发水蒸气到饱和，同时熔渣迅速固化，通过分离装置实现合成气、液态水、固渣的分离。合成气通过管口输出进入后续工段，主要成分为一氧化碳和氢气。固渣通过排渣口进入破渣机中，并断续排出。含有细灰的黑水通过管口进入渣水处理系统。

2 降低“三高”煤灰熔点的实验研究

“三高”煤煤灰的熔融温度 FT(流动温度)>1 500 ℃，而粉煤气流床气化温度为1 500 ℃左右，为了适应气化炉的操作温度，通过选用合适的助熔剂来改变煤炭灰渣的熔融特性[5]，使其煤灰的熔融温度FT降到1 400 ℃以下，达到航天炉粉煤加压气化技术的排渣要求。为了能够顺利排渣，气化炉的操作温度要高于进料煤的煤灰熔融温度FT50～100 ℃[2]。“三高”煤由于其高灰熔点限制了其煤气化应用的发展，寻找一种能够改变煤灰熔融特性的助熔添加剂就很有必要，工业上常采用添加石灰石作为助溶剂来降低煤灰熔融温度[6-7]。因此，选用晋城矿区赵庄矿“三高”煤作为原料煤，石灰石作为助熔剂，对灰熔点的变化进行研究。晋城矿区赵庄矿“三高”煤的煤质分析结果见表1，赵庄3#煤样灰成分见表2。

表1 赵庄“三高”煤的煤质分析

注：DT，变形温度；ST，软化温度；HT，半球温度；FT，流动温度。

表2 赵庄3#煤样灰成分表

从表1、2可以看出，晋煤集团赵庄煤的固定碳含量高，水分和挥发分很低，灰分略高，煤的发热量也较高，可磨性较好，但是煤灰熔点较高，流动温度大于1 511 ℃，熔渣的黏度较大，且临界温度很高，约为1 610 ℃，这是由于煤灰主要组成为氧化硅和氧化铝，两者总和约85%，氧化钙和氧化铁含量较低，总和约为8%，若将其煤用于航天粉煤加压气化炉，需要通过添加助溶剂的方法降低其灰熔点，以满足航天炉的需要。

2.1 实验仪器设备

KER-100A制样机、101-2EBS干燥箱、KER-1箱式高温炉、FA2004N天平、DTG-60同步热分析仪、SDTGA5000工业分析仪、TQ-3碳氢元素分析仪、高温黏度仪等。

2.2 实验部分

煤灰熔点(煤灰熔融性)测定常用的方法是角锥法，本研究依据该方法的国家标准 GB/T 219-1996 进行测定。

3 结果与讨论

3.1 助溶剂对煤灰熔融温度的影响

选取赵庄3#煤样品，煤样制备使用小型制样机磨制，经筛分后粒度<150 μm(100目)，然后依次加入1%、2%、3%、4%石灰石(主要成分为CaCO3)，分别测定对应的灰熔点，测定结果如图1所示。

图1 助溶剂对煤灰熔融温度的影响

从图1中可以看出，加入石灰石的煤样，其熔融温度呈下降趋势，这是因为CaCO3在一定温度下受热分解，增加了煤样中的CaO含量。而CaO与灰样中的SiO2反应生成低温共熔物(硅酸盐)，从而降低了煤灰熔融特性的温度[8]。但是当助溶剂的量增加到4%时，游离于低温共熔物外的CaO作为氧化剂，在破坏硅聚合物的同时，又形成了高熔点的硅酸钙(CaSiO3)、假硅灰石(CaO·2SiO2)等，致使体系熔融温度上升[9]。

3.2 助溶剂对煤灰渣黏温特性的影响

考察赵庄原煤与添加3%石灰石的赵庄原煤后的灰渣黏温特性，见图2。

图2 助溶剂对赵庄3#煤的灰渣黏温曲线图

从图2可看出，赵庄原煤灰渣属于结晶渣，其临界温度为1 610 ℃，所对应的临界黏度为35 Pa·s，随着温度的降低，熔渣黏度迅速增大，且趋势很陡，不可能满足液态排渣的要求。当在赵庄原煤中添加3%的石灰石时，灰渣呈塑性渣，整体黏温曲线向左

(低温区)偏移，其临界温度下降至1 450 ℃，所对应的临界黏度为25Pa·s，黏度趋势变缓。随着温度的升高，黏度下降，满足航天炉排渣要求。

4 结论

通过对晋煤集团赵庄矿3#原煤灰熔点的研究，确定添加3%的助熔剂，提高煤灰中的氧化钙含量，使其温度降到1 450 ℃以下，黏温曲线呈现塑性渣特点，黏度趋势变缓，临界黏度温度降低，因此添加3%的石灰石满足航天炉排渣要求。

[1] 王 毅.晋城矿区“三高”劣质煤资源开发与利用探讨[J].煤化工,2011,5:1-4.

[2] 李小红,姚润生,李 凡,等.适宜“三高”煤利用的煤气化技术探讨[J].现代化工,2009,29(1):234-236.

[3] 禇晓亮,苗 阳,付玉玲,等.气流床气化技术在我国的应用现状及发展前景[J].化工技术与开发,2013,12(49): 31-34.

[4] 段立强,林汝谋,金红光,等.整体煤气化联合循环(IGCC)技术进展[J].燃气轮机技术,2000,13(1):9-17.

[5] 李寒旭,陈方林.配煤降低高灰熔融性淮南煤灰熔点的研究[J].煤炭学报,2002,2(5): 529-533.

[6] 王 洋,吴晋沪.中国高灰、高硫、高灰熔融性温度煤的灰熔聚流化床气化[J].煤化工,2005,(2): 3-5.

[7] 李继炳,沈本贤,李寒旭,等.铁基助熔剂对皖北刘桥二矿煤的灰熔融特性影响研究[J].燃料化学学报,2009,37(3):262-263.

[8] Wei Cundi,Ma Hongwen, Yang Dianfan, etal.phase Transformation for ealeined Coalmeasures Kaolinite[J].Journal of the Chinese Ce-ramic Soeiety,2005,33(1):77-81.

[9] 李 平，王庆庆，王志欣等.助溶剂对宁东煤灰熔融特性影响的研究[J].2013,20(40):86-88.

2016-07-20

樊广燕(1987-)，女，助理工程师，从事化工生产与管理工作，电话：15037816943。

TQ051.3

B

1003-3467(2016)11-0040-03