煤气化煤种的选择

1、煤气化煤种的选择煤种，煤气化，选择可用于水煤浆气化的原料种类比较广泛，例如各种烟煤、褐煤、泥煤、石油焦，甚至城市 垃圾也可以作为气化原料。但据国内外各用户的实际运行情况来看，并非所有的煤种都适 用于水煤浆气化装置，要保证长周期稳定运行并获得较好的经济效益，必须认真细致地选 好煤种。设计水煤浆气化工艺时，首先需要了解准备作为原料使用的煤炭的物理化学特性，包括工 业分析、元素分析、水分、煤灰组成、发热量、灰熔点、可磨指数的测定、实验室煤浆特 性试验、助熔剂试验（包括添加剂试验），以评价所选用的煤种煤源在技术上和经济上是 否适宜用作气化原料，这些分析和试验都是判定煤种特性的重要依据。1、煤的质量对气

2、化过程有着十分重要的影响煤的品种很多，按其在地下生成的时间的长短，大体可分为泥煤、褐煤、烟煤和无烟煤等， 它们的煤化程度按上述次序依次增加。随着气化工艺选取的不同，其对煤品质的要求也不相同。首选煤种。高活性、高挥发分的烟煤是德士古水煤浆气化工艺的对原料煤的下述性能和参数应当重视：总水分总水分包括外水和内水。外水是煤颗粒表面附着的水分，来源于煤在煤层中附着的、人为喷洒和露天放置中的雨水， 这部分水通过自然风干即可基本消除。外水对德士古煤气化没有影响，但如果波动太大对 煤浆浓度有一定的影响，而且会增加运输成本，应尽量降低。内水是煤的结合水，以吸附态或化合态形式存在于煤中，煤的内水高同样会增加运输费

3、用， 但更重要的是内水是影响成浆性能的关键因素，内水越高成浆性能越差，制备的煤浆浓度 越低，对气化有效气体含量、氧气消耗和高负荷运行不利。挥发分及固定碳 煤化程度增加，则可挥发物减少，固定碳增加。固定碳与可挥发物 之比称为燃料比，当煤化程度增加时，它也显著增加，因而成为显示煤炭分类及特性的一 个参数。煤中挥发分高有利于煤的气化和碳转化率的提高，但是挥发分太高的煤种容易自燃，给储 存煤带来一定麻烦。煤的灰分及灰熔点灰分 灰分是指煤中所有可燃物质完全燃烧反应后，其中的矿物质在高温下分解、化合 所形成的惰性残渣，是金属和非金属的氧化物和盐类（碳酸盐、硅铝酸盐、硅酸盐、硫酸 盐等）的混合体。燃烧后实际

4、测得的是煤灰的产率，而并非煤中真正的灰含量，在高温氧化还原气氛中煤中 矿物质的存在形式已经发生了一系列的物理和化学变化。灰分虽然不直接参加气化反应， 但却要消耗煤在氧化反应中所产生的反应热，用于灰分的升温、熔化及转化。灰分含有率 越高，煤的总发热量就越低，浆化特性也多半较差。根据资料介绍，同样反应条件下，灰 分含量每增加1%,氧耗约增加0.7%0.8%，煤耗约增加1.3%1.5%。灰熔点 煤灰的熔融性，习惯上用四个温度来衡量，即煤灰的初始变性温度（IT或T1）、 软化温度（ST或T2）、半球温度（HT或T3）、流动温度（FT或T4）。煤的灰熔点一般是 指流动温度，它的高低与灰的化学组成密切相关

5、。由常规煤灰分析及表1可知，SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3组分约占灰分组成的90%95%左 右，它们的含量相对变化对灰熔点影响极大，因此许多学者常用四元体系SiO2-Al2O3-CaO- Fe2O3来研究灰的黏温特性。表1典型的灰渣组成% （质量分数）组分 SiO2 Al2O3 TiO2 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O P2O3 SO3组成 3760 1633 0.91.9 425 315 1.22.9 0.33.6 0.21.9 0.12.4一般情况，灰分中氧化铁、氧化钙、氧化镁的含量越多，灰熔点越低；氧化硅、氧化铝含 量越高，灰熔点愈高。但灰分不是以单独的物理混合形

6、式存在，而是结晶成不同结构的混 合物，结晶结构不同灰熔点差异很大（参见表2），不能以此作为唯一的判别标准。通常用 式1来粗略判断煤种灰分熔融的难易程度：酸碱比=（SiO2+ Al2O3）/（ Fe2O3+CaO+MgO）1当比值处于广5之间时为易熔，大于5时为难熔。表2灰分中各种混合物的熔点成分熔点/C成分熔点/C成分熔点/CSiO2 晶体 1723 3Al2O3 2SiO2 1850 CaO Al2O3 2SiO2 1553Al2O3 2020 2FeO SiO2 1065 2CaO Al2O3 SiO2 1590CaO 2570 CaO SiO2 1544 2CaO FeO 2SiO2 1

7、203MgO 1380 CaO Al2O3 1605 CaO FeO SiO2 1208有些专家采用比值SiO/Al2O3和SiO2/ （SiO2+Fe2O3+CaO+MgO）来研究灰分组成和灰分熔点 的关系，指出前者比值不宜小于1.6、后者不宜大于0.9,否则就需要添加Fe2O3或CaO， 或者掺混其他煤种来调整灰分的组成以利于熔融排渣。灰渣黏温特性灰渣黏温特性是指熔融灰渣的黏度与温度的关系。熔融灰渣的黏度是熔渣的物理特性，一旦煤种的（灰分组成）确定，它只与实际操作的温度有关。熔渣在气化炉内主要受自身的重力作用向下流动，同时流动的气流也向其施加一部分作用 力，熔渣的流动特性可能是牛顿流体、也

8、可能是非牛顿流体，这主要取决于煤种和操作温 度的高低。为了顺畅排渣，专家认为熔渣行为处于牛顿流体范围内操作气化炉比较合适， 一旦进入非牛顿流体范围区气化炉内容易结渣，并引入了临界温度的概念，即渣的黏度开 始变为非牛顿流体特性时对应的温度，以此作为操作温度的下界。煤种不同，渣的黏温特性差异很大，有的煤种在一定温度变化范围内其灰渣的黏度变化不 大，也即对应的气体操作范围宽，当操作温度偏离最佳值时，对气化运行影响不大；有的 煤种当温度稍有变化时其灰渣的黏度变化比较剧烈，操作中应予以特别注意，以防低温下 渣流不畅发生堵塞。可见，熔渣黏度对温度变化不是十分敏感的煤种有利于气化操作。水煤浆气化采用液态排渣

9、，操作温度升高，灰渣黏度降低，有利于灰渣的流动，但灰渣黏 度太低，炉砖侵蚀剥落较快。根据有些厂家的经验，当操作温度在1400C以上每增加20C， 耐火砖熔蚀速率将增加一倍。温度偏低时灰渣黏度升高，渣流动不畅，容易堵塞渣口。只 有在最佳黏度范围内操作才能在炉砖表面形成一定厚度的灰渣保护层，既延长了炉砖寿命 又不致堵塞渣口。液态排渣的气化炉最佳操作温度视灰渣的黏温特性而定，一般推荐高于煤灰熔点3050C。 最佳灰渣流动黏度对应的温度为最佳操作温度，大多研究机构认为最佳黏度应控制在 1540Pa?S 之间。助熔剂 由于材料耐热能力的限制，对灰熔点高于1400C的煤如果还要采用熔渣炉气化， 应当使用助

10、熔剂，以降低煤的灰熔点。根据煤质中矿物质对灰熔点的影响的有关研究表明， 添加适当助熔剂降低前面计算式1的酸碱比，可有效降低灰熔点。助熔剂的种类及用量要根据煤种的特性确定，一般选用石灰石或氧化铁作为助熔剂。石灰 石及氧化铁特别适宜作助熔剂的原因在于，它们是煤的常规矿物成分，几乎对气化系统没 有影响，流动性与一般的水煤浆相同，加入后又能有效地改变熔渣的矿物组成，降低灰熔 点和黏度。视煤种的不同，氧化钙的最佳加入量约为灰分总量的2025%，氧化铁为15%左 右即可对灰熔点降低起到明显作用。但助熔剂的加入量过大也会适得其反，另外灰渣成分 不同对砖的侵蚀速率也会不同，因此还应根据灰渣的组成和向火面耐火材

11、料的构成合理选 择助熔剂。加入助熔剂后气化温度的降低将使单位产气量和冷煤气效率提高、氧耗明显降低，但同时 也会使碳转化率稍有降低、排渣量加大，过量加入石灰石还会使系统结垢加剧。在选择煤种时，宜选择灰熔点较低的煤种，这可有效地降低操作温度，延长炉砖的使用寿 命，同时可降低氧耗、煤耗和助熔剂消耗。发热量煤的发热量即热值，是煤的主要性能指标之一，其值与煤的可燃组分有关，热值越高每千克煤产有效气量就越大，要产相同数量的有效气煤耗量就越低。元素分析 煤中有机质主要由碳、氢、氧、氮、硫五种元素构成，碳是其中的主要的 元素。煤中的含碳量随煤化程度增加而增加。年轻的褐煤含碳量低，烟煤次之，无烟煤最 高。氢和氧

12、含量随煤化程度加深而减少，褐煤最高，无烟煤最低。氮在煤中的含量变化不 大，硫则随成煤植物的品种和成煤条件的不同而有较大变化，与煤化程度关系不大。气化用煤希望有效元素碳和氢的含量越高越好，其它元素含量越低越好。氧含量 一般在10%左右，对气化过程没有副作用。硫含量煤中硫组分除少量不可燃硫随渣排出外，大部分在气化反应中生成硫化氢和微量硫氧化碳，其中硫化氢会对设备和管道产生腐蚀。已有用户使用过含硫量达5%的煤种， 发现对气化装置影响不大。煤中含硫量的多少对后续的酸性气体的脱除和硫回收装置影响 也较大，因此要求煤中的可燃硫含量要相对稳定，以使选择正确的脱硫方法。气化选择煤 种可采用高硫煤，因为新一代煤

13、化工过程都己经将硫化物脱净业回收成硫磺（目前我国每年 进口几百万吨硫磺），一方面变成财富，另一方面是改善环境。氮含量煤中的氮含量决定着煤气中的氮含量和冷凝液的pH值，冷凝液中氨含量高，pH值高可减轻腐蚀作用。但生成过多的氨在低温下会与二氧化碳反应而形成堵塞引起故障， 同时pH值的升高，极易引起碳酸钙结垢，因此应正确考虑氮含量的影响，以利于合理选择 设备材质、平衡系统水量。煤中氮含量达到10%时生产中已证实不是大问题。砷含量我国对188个煤样抽查结果显示煤中砷含量在0.5X10-6176X10-6之间，虽然含量不高，随煤种变化差异很大，但砷可以以挥发态单质转化到粗煤气中，进入催化 剂床层后与活性

14、组分Co、Mo形成比较稳定的化合物，从而使催化剂失去活性，造成不可恢 复的慢性中毒。研究表明当变换催化剂中砷含量达到0.06%时，其反应活性即开始下降，达 到0.1%时基本失去活性。砷也是合成甲醇催化剂（铜催化剂）的毒物，而且十分敏感。因此 煤中的砷含量越低越好。如果煤含砷高的话，净化工序中应当增加催化脱砷手段。氯含量 气化反应后氯有一部分可叹随固体渣排出装置，另一部分溶滞于工艺循环水中， 当氯含量过高时会对设备和管道造成腐蚀，特别是对于不锈钢材质，工艺运行中应予以适 当控制。一般气化循环灰水中氯离子浓度控制在120X10-6150X10-6之间。如果氯化物 进入合成气中，它会使合成甲醇催化剂

15、中毒，所以应当重视。可磨指数一般多用哈氏可磨指数（Hardgrove Index，简写HGI）表达煤的可磨性，它是指煤样与美国一种粉碎性为100的标准煤进行比较现时得到的相对粉碎性数值，指数 越高反映出煤种越容易被粉碎。煤的可磨指数决定于煤的岩相组成，矿质含量、矿质分布 及煤的变质程度。易于粉碎的煤容易制成浆，可以节省磨煤机功耗，一般要求煤种的哈氏 可磨指数在5060以上。煤的化学活性煤的化学活性指煤在一定温度下与二氧化碳、水蒸汽或氧反应的能力。我国采用二氧化碳介质与煤进行反应来测定二氧化碳被还原成一氧化碳的能力，还原率越 高，活性越大，煤的反应能力越强。它与煤的炭化程度、灰分组成、粒度大小以

16、及反应温 度等因素有关，反应活性高有利于气体质量、产气率和碳转化率的提高。综上所述，从技术角度来看，水煤浆加压气化技术可以适用于大多数褐煤、烟煤及无烟煤 的气化，但从经济运行角度来看，在筛选煤种时可叹将以下指标作为参照进行比较：煤种 的内在水以不大于8%为宜、灰分宜小于10%15%；灰熔点以小于13001350C的煤种为佳； 但灰熔点太低对气化采用废锅流程的不利，易使废锅结焦或积灰；发热量参考指标为 25MJ/kg越高越好；尽可能选择煤中有害物质少、可磨性好、灰渣黏温特性好的煤种；尽 可能选择服务年限长、储量大、地质条件相对好、煤层厚的矿点，以保证供煤质量的稳定。2. 水煤浆特性水煤浆的制备及

17、输送是水煤浆气化技术中十分重要的一个组成部分，其性能的优劣直接关 系到气化炉运行的好环。考察水煤浆特性的主要指标有：煤浆的流变特性、粒度分布、煤 浆浓度、煤浆的稳定性以及密度等，这些质量指标间密切相关。为了提供最佳的原料水煤 浆，当然需要进行包括选定界面活性剂在内的多种试验。流变特性。流体的流变特性是指流体受外力作用发生流动与变形的特性，对常见的流体如水、空气等，在一定条件下剪切应力t与剪切速率du/uy之间保持恒定的比值， 且不随剪切时间长短而变，这个比值称黏度，用u表示。三者关系满足下式： T = u(du/dy)4-6-2服从上述定律的流体通称为牛顿流体，否则称为非牛顿流体。水煤浆流体属

18、于后者，许多 学者经过大量研究通常用式(4-6-3)来表示剪切应力与剪切速率之间的关系：T = Ty+k(du/dy)n4-6-3式中，Ty为起始剪切应力，又称屈服应力，是指流体在开始流动前需施加一定值的剪切 应力；K称做稠度，其值越大表明黏度越高；n是流动性指数，是偏离牛顿流体程度的参数。 当水中加入一定粒度分布的煤粉形成水煤浆后，在低浓度下可能表现为牛顿流体，随着浓 度的提高其表现可能是假塑性流体或宾汉流体等类别，到底属哪一类别目前说法不一，这 是因为水煤浆的流变特性与不同的煤种、不同的制浆工艺与粒度分布、不同的添加剂类型 及用量、甚至与不同的剪切速率区间都有关系。为了形式的统一和测量的方

19、便，工程上仍沿用式(4-6-2)来表示剪切应力与剪切速率之间 的关系，但这时的黏度被称为表观黏度，它将随着煤粉加入量的增加而增大，随着速度梯 度的变化而变化；水煤浆还具有触变性，即黏度和剪切应力随着剪切时间的延长而减小， 当外界因素消除后又可恢复原状。另外，一定浓度的水煤浆还具有抵抗剪切作用使流体不 发生流动的内应力，即具有屈服应力，这说明水煤浆流变特性除受重力影响外，还随体系 内部颗粒结构团的变化而变化。煤浆黏度低是输送的要求，也是煤浆通过喷嘴能充分雾化的需要。水煤浆能够自由流动或 泵送的最高黏度约为23PA?S左右。水煤浆在搅拌、泵送与管道输送过程中受到了不同程度的剪切作用，这些都会或多或

20、少地 改变煤浆的流变特性及其稳定性，实际生产中应加以注意。总之，水煤浆是非牛顿型流体，研究这种流体特性的主要方法是考察其黏度、剪切应力及 沉降速度等的变化规律。粒度分布 煤粉悬浮体系的特性除与原煤本身性质有关外，其粒度组成即分布程度也 将直接影响煤浆的物理和工艺特性。纯粹的细粒子并不能制成高浓度的水煤浆，必须将粗 细粒子适当搭配，使体系具有足够宽的粒度分布和适宜的分布结构，造成溶液中不同粒子 间相互镶嵌才有利于制备高浓度煤浆。粒度分布状况影响水煤浆的黏度和稳定性，也影响水煤浆的燃烧反应。从气化反应考虑， 煤粉粒度越细越好，这有利于获得较高的碳转化率。但是细粒所占比率增加时，获得同样 浓度的煤浆其制浆工艺要求将更高、粒级配比要求将更严，制浆成本相应加大，这里需要 综合考虑。目前气化用水煤浆粒度分布状况是：通过40目(420 um)的粒子为99%，通过200目(74um) 的微粒粒子为30%50%，到底粒度分布范围多少合适，这要取决于原煤特性及成浆实验。煤浆浓度煤浆浓度高有利于提高汽化强度，并获得较高的热值。从经济运行考虑，一般应达到60%70%，但浓度又受到黏度的限制，煤浆浓度越大黏度就越易升高，对泵送和 雾化都不利。优质煤比劣质煤黏度增加的快，当浓度超过50%时其黏度猛增。煤浆浓度下降会使送入