新疆气化煤灰渣特征及其对气化炉的适应性研究

刘 峰，乔 波，尹洪清，王振华，王 军，路文学，吕传磊

（兖矿水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心有限公司，山东 滕州277527）

新疆作为我国重要的能源基地，煤炭预测资源量达到2.19×104亿t，占全国预测煤炭资源总量的40%以上，位居全国首位[1]。在煤化工领域，对气化用煤的灰成分、灰熔融特性及黏温特性有较为严格的要求。本文基于新疆气化煤在气化运行过程中易造成炉壁超温、耐火砖侵蚀严重、气化炉堵渣结渣等现象，将其与山东枣庄气化煤、陕蒙气化煤进行灰成分、灰熔融特性及黏温特性分析，以期为气化用煤的选择提供建议。

1 实 验

1.1 原料

新疆气化煤、山东枣庄气化煤（LZJM、HYJS、BHJM、WYK）、陕蒙气化煤（JJT、YPH、ZLW）；新疆某化工厂气化炉（A炉、B炉）炉渣，气化炉气化用煤为新疆气化煤。

1.2 仪器设备

5E-AF4200智能灰熔融性测试仪（长沙开元仪器股份有限公司），RHEOTRONICⅡ煤灰高温黏度计（美国THETA公司），S8 TIGER波长色散X射线荧光仪（德国布鲁克公司）。

2 结果与讨论

2.1 煤灰成分分析

采用X射线荧光光谱法（熔片法）对新疆气化煤、枣庄气化煤、陕蒙气化煤进行灰成分全分析，结果见表1。

表1 新疆煤、枣庄煤、陕蒙煤煤灰成分分析结果（质量分数）%

煤灰成分一般分为两类：酸性成分（SiO2、Al2O3、TiO2）和碱性成分（Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O）。煤灰碱酸比是碱性成分与酸性成分的质量分数之比，硅铝比是SiO2与Al2O3的质量分数之比。黏温特性较好的煤灰一般碱酸比在0.3～0.8，硅铝比在2.5左右[2]，此时渣的流动状态良好，容易在气化炉中实现较厚的挂渣，起到保护气化炉耐火砖的作用。

根据表1中数据，计算出新疆煤、枣庄煤、陕蒙煤煤灰成分碱酸比和硅铝比，结果见图1。由表1及图1可知，新疆气化煤煤灰碱性成分质量分数39.17%，酸性成分质量分数43.70%，碱酸比与其他两种气化煤灰相比较高，属于典型的高碱煤。煤灰中酸性成分有增加灰渣黏度的作用，碱性成分的作用则相反；但若碱性成分过高，当气化炉温度波动时，灰渣易变为结晶渣，造成下降管堵渣，影响气化炉运行的安全性[3-4]。

图1 新疆煤、枣庄煤、陕蒙煤煤灰成分碱酸比和硅铝比

综合图1及表1，新疆气化煤煤灰的碱性成分高，Al2O3含量较低，硅铝比偏大，推测其灰渣黏度较低，黏温特性不佳，需添加适量的酸性成分来改善煤质特性。

2.2 灰渣熔融特性分析

灰渣熔融特性用煤灰熔融性温度表示，是气化用煤的一项重要参考指标。熔融温度的高低取决于煤灰的组成及含量，深入研究煤灰化学成分对灰熔融性温度的影响，对气化炉排渣方式的选择及扩大适用煤种范围具有十分重要的意义。新疆煤、WYK煤、YPH煤和ZLW煤的灰熔融特性测试结果见图2。

图2 不同煤种的灰渣熔融特性测试结果

考虑到煤的气化效率及耐火砖的使用周期等方面，煤种最佳灰熔融性温度范围是1 250℃～1 300℃。图2的测试结果显示，与枣庄气化煤及陕蒙气化煤相比，新疆气化煤的灰熔融性温度较低。一般认为，煤灰中酸性成分含量越高，灰熔融性温度越高；碱性成分含量越高，灰熔融性温度越低[5]。由于新疆气化煤灰中钙、镁和铁的总质量分数比一般煤样高出50%左右，其碱性成分含量较多，灰熔融性温度较低。碱性成分在高温下与高铬砖相互作用，FeO与高铬砖反应生成铁铝尖晶石相和FeCr2O4，MgO则与高铬砖反应生成MgCr2O4。在耐火砖表面有大量渣存在的情况下，这些金属相会沿着砖孔隙渗入，对耐火材料造成侵蚀。

2.3 灰渣黏温特性分析

煤灰的黏温特性描述煤灰在高温下形成的熔渣黏度与温度之间的关系。WYK煤、YPH煤、ZLW煤、新疆煤的灰渣黏温特性见图3～图6。

图3 WYK煤（近玻璃渣）的灰渣黏温特性

图4 YPH煤（结晶渣）的灰渣黏温特性

图5 ZLW煤（玻璃渣）的灰渣黏温特性

图6 新疆煤（结晶渣）的灰渣黏温特性

灰渣类型与灰 成分中SiO2、Al2O3及CaO、Fe2O3、MgO的组分含量有关，根据煤灰成分可以大致判断新疆气化煤灰渣、YPH气化煤灰渣为结晶渣；WYK气化煤灰渣为近玻璃渣；ZLW气化煤灰渣为玻璃渣。

由图6可以看出，随温度的降低，新疆煤灰渣黏度由低到高的上升速度较快，25 Pa·s～3 Pa·s（灰渣温度1 289℃～1 246℃）的可操作温度区间较窄，几乎没有塑性区；温度降低至临界温度后，黏度梯度变大，灰渣流动性出现巨大差异，从而导致反应器内结渣，发生排渣不畅、堵塞现象。而枣庄WYK煤、陕蒙ZLW煤高温黏度较好，液态排渣区间较宽，呈现出玻璃态或近玻璃态渣型，结合气化装置实际生产情况，应用效果良好。

2.4 入炉煤和炉渣的灰成分对比

取气化炉入炉煤（新疆煤经磨煤机研磨所得）和出炉炉渣，采用X射线荧光光谱法（熔片法）进行灰成分全分析，结果见表2。

表2 入炉煤和气化炉炉渣灰成分分析结果（质量分数）%

由表2可知，经气化炉充分燃烧后，炉渣的SO3质量分数明显下降，由原来的15.97%下降到0.70%，这是因为在气化过程中硫元素大部分经过燃烧进入到合成气中；Cr2O3含量明显增加，炉渣中Cr2O3质量分数是入炉煤灰的25～35倍，这表明耐火砖表面受熔融灰渣的侵蚀较为严重。研究显示，渣组分中的碱金属氧化物K2O、Na2O将显著降低渣的熔点和黏度，增加对耐火材料的侵蚀与渗透；同时，K2O、Na2O在耐火材料中存在，降低了液相出现的温度，从而降低了耐火材料的抗侵蚀性[6-8]。

3 结论与建议

新疆煤、山东枣庄煤、陕蒙煤3种气化煤灰酸性成分占比均较大，碱酸比普遍都要小于1。新疆气化煤灰碱酸比比大部分枣庄气化煤和陕蒙气化煤都要高出不少，属于典型的高碱煤，需添加适量的酸性成分改善煤质特性。另外，新疆煤灰中碱金属氧化物含量较高，特别是钙、铁、镁金属氧化物超标明显，易造成新疆煤煤灰黏度较小、流动性较强，使得气化过程中在耐火材料表面结渣较为致密，对耐火材料的侵蚀较严重。

为满足气化炉长周期稳定运行，以期取得较好的经济效益，建议进行配煤或添加助剂研究，通过调节煤灰成分的硅铝比和碱酸比，改善黏温特性，增大可操作温度区间。