浅谈水煤浆气化用煤

作者：顾文龙。

作者简介：顾文龙，男，1992年12月出生，本科学历，工程师，2015年毕业于广东石油化工学院化学工程与工艺专业，现在中国石化镇海炼化分公司生产部从事化工工艺技术工作。ail ：[e-mail]。

摘要：对于不同地区、不同变质程度的原料煤，各种性质均有所不同。通过考察数十种原料煤，筛选出了可用于水煤浆气化用煤的原料煤，并成功试烧了马泰壕、陕煤1、尔林兔、印尼煤等新煤种。从原料煤组成、水煤浆成浆性、原料煤灰分熔融性和黏温特性、气化经济性等方面展开评价。

关键词：原料煤；成浆性；熔融性；黏温特性；气化经济性

         

中国石化镇海炼化分公司（简称镇海炼化）两套煤焦制氢装置由中石化宁波工程有限公司完成基础工程设计及详细工程设计并承建，采用中国石化与华东理工大学联合开发的SE-东方炉平推流水煤浆气化技术；两套煤焦制氢装置气化炉均为两开一备，其中第1套煤焦制氢装置单炉日投煤量（全煤工况）约1100t，第2套煤焦制氢装置单炉日投煤量（全煤工况）约2600t，镇海炼化年耗煤量最高可达270×10⁴t；针对原料煤需求量日益增加，选择合适的水煤浆气化用煤显得至关重要，已然演变为煤化工行业重要的研究方向。         

1原料煤性能分析

1.1原料煤组成

煤是煤化工行业最基础、最核心、最根本的原料。从大类上说我国煤炭分为无烟煤、烟煤和褐煤，通常以反映煤化程度的干燥无灰基挥发分（V_daf）来区分无烟煤与烟煤，采用透光率（PM）来划分褐煤中的小类，并区分褐煤与烟煤。使用煤化程度的干燥无灰基挥发分和反映黏结性的指标（黏结指数G_R.L、胶质层最大厚度Y和奥阿膨胀度b）对烟煤进行细分，可分为长焰煤、不黏煤、弱黏煤、1／2中黏煤、气煤、气肥煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤和贫煤等^[1]。烟煤的煤化程度高于褐煤而低于无烟煤，由于烟煤热值较高，成浆性较好，灰含量适中，是理想的气化用煤。煤焦制氢装置所用的神优2、陕煤1和马泰壕等原料煤均是烟煤中的长焰煤。不同原料煤工业分析、元素分析如表1所示。

         

从气化技术角度来看，水煤浆加压气化技术可以适用于多种类型煤种，但从经济运行角度来看，水煤浆气化装置对原料煤有如下要求：①低内水，内水含量越低越有利于制备高浓度水煤浆，内水含量大于10%的煤种是不经济的；②高挥发分、可磨指数，挥发分在高温下会呈气态逸出，促使煤颗粒破碎增大气化反应比表面积，一般来说可磨指数、挥发分含量越高的原料煤气化特性越好；③低灰分，灰分低不仅有利于气化，还可减少粗细渣的产生量，一般控制灰分含量小于12%；④低灰熔点，灰熔点低可适当降低气化炉反应温度，提高有效气产量，选择灰熔点小于1300℃的煤质有利于经济稳定运行；⑤煤质稳定性，煤质稳定性是运行的关键，尽可能选择服务年限中期、储量大、地质条件相对好、煤层厚的矿点。

1.2水煤浆成浆性分析

水煤浆的成浆性对水煤浆的运输、气化燃烧和储存具有重要影响，水煤浆作为一种固液非均相流体，其流变特性主要分为3种类型：①非牛顿流体中的胀塑性流体，表观黏度随剪切速率的增大而增大；②非牛顿流体中的假塑性流体，表观黏度随剪切速率的增大而减小；③牛顿流体，浆体的表观黏度不随剪切速率的增加或降低而变化。在实际的生产中，希望制备出的水煤浆为假塑性流体，即在输送和气化燃烧时，表观黏度较低，有利于浆体的雾化和减少管道中的阻力，而在静置时表观黏度较高，有利于浆体的稳定。不同原料煤制备的水煤浆成浆性分析结果如表2所示。

由表2可以看出，不同原料煤制备的水煤浆成浆性还是有较大差异的，其中陕煤2、满来梁原料煤成浆性较差，不适宜作为水煤浆气化用煤。

1.2.1煤质对成浆性能的影响^[2]

原料煤煤质对水煤浆的成浆性影响较大，一般认为变质程度低的煤所制水煤浆的成浆性比变质程度高的煤所制水煤浆的成浆性好，主要原因是变质程度低的煤灰分含量较高，灰分通过影响煤表面的亲水性和电化学性质来改善水煤浆成浆性。原料煤因产地不同其成分有很大的差异，如内水、挥发分、氧碳比以及煤粒表面的性质也对成浆性有一定的影响。

1.2.2粒度级配对成浆性能的影响

粒度分布是影响水煤浆浓度和流变性的决定因素，高性能的水煤浆浆体要求粗颗粒间的孔隙能被细颗粒所填充，细颗粒间的孔隙又能被更细的颗粒所填充，一级一级继续下去，减少孔隙所吸收的水分，使颗粒孔隙中的水尽可能以“自由水”的形式存在，让煤粉颗粒流动起来，起到润滑降低水煤浆黏度的效果。当体系中有足够宽的粒度分布时，粗颗粒与细颗粒在较为适宜的范围内配合，颗粒的镶嵌程度提高，从而达到较为紧密的堆积，使得粒子间的团聚作用降低，故而体系具有充分的镶嵌作用和悬浮稳定性，继而得到高浓度的水煤浆^[3]。

1.2.3添加剂对成浆性能的影响

水煤浆添加剂类型可以分为阳离子型、阴离子型和非离子型。其中阳离子型添加剂由于少量不足以改善表面呈负电性煤颗粒的分散性，因此不常用。非离子型分散剂大多数为聚合度不同的环氧乙烷聚合物，成本较高，因此也未被普遍应用。目前阴离子表面活性剂是最常用的，其中包括萘磺酸盐、木质素磺酸盐、腐殖酸磺酸盐、聚羟酸盐、聚苯乙烯磺酸盐等，其主要的影响机理是提高煤粉的亲水性、增强煤粒间的静电斥力和改善空间隔离位阻效应，使浆体具有良好的流变性和稳定性^[4]。通常水煤浆稳定性随水煤浆添加剂加入比例的增加而提高。在生产过程中不仅要保证水煤浆流变性和稳定性指标，还要尽可能降低生产成本，因此煤焦制氢装置水煤浆添加剂（木质素磺酸盐）加入量（干基比）一般控制在0.15%~0.20%。

1.2.4制浆工艺对成浆性能的影响

水煤浆pH值会影响到煤粒与添加剂的相互作用，一般随着pH值的增大，可在一定程度上改善水煤浆的成浆性。水煤浆理论最佳pH值应大于10，但煤焦制氢装置实际pH值一般控制在7.0~7.5，主要是水煤浆在大煤浆槽内相对停留时间较短（12h左右），成浆性可满足生产要求。同时提高水煤浆pH值增加了生产成本，从效益上是不划算的，因此在实际生产中没有对水煤浆pH值进行特别的要求。

随着温度的升高，水煤浆黏度逐渐降低，根据斯托克斯公式，颗粒的沉降速率也会随之加快，从而使水煤浆的稳定性降低^[5]。因此在水煤浆制备过程中，温度不宜控制过高，最佳的操作区间为40~70℃，高于70℃表面水分易挥发，当浓度较高时容易析出硬沉淀，对水煤浆成浆性造成影响。         

2原料煤灰分熔融性和黏温特性分析

2.1灰分熔融性分析

煤灰熔融性是煤灰在高温下达到熔融状态的温度，是气化用煤的一个重要指标。不同原料煤灰分组成、熔融特性参数如表3和表4所示。

气流床气化炉均采用液态排渣，一般要求气化炉内操作温度超过灰渣流动温度50~100℃，使灰渣处于熔融状态，以便灰渣能以液态形式排出气化炉。考虑到气化炉耐火材料、测温元件的寿命及运行的经济性，气化炉内的温度一般控制在1200~1300℃。生产中通常采用煤灰的流动温度（FT）作为判断依据，以判断某一煤种是否适用于气流床气化技术，而煤灰的流动温度主要取决于煤灰的成分。

按流动温度可将煤灰分成5级：①低于或等于1150℃为低流动温度灰；②1150~1300℃的是较低流动温度灰；③1300~1400℃的是中等流动温度灰；④1400~1500℃的是较高流动温度灰；⑤高于1500℃的是高流动温度灰^[6]。从气流床操作温度来看，低流动温度灰、较低流动温度灰的原料煤均可作为气化用煤，表4中的原料煤均满足要求。

2.2灰分黏温特性分析

黏温特性是黏度与温度之间的变化关系，熔融煤灰按黏温曲线的变化趋势可分为：玻璃渣、塑性渣和结晶渣。玻璃渣黏度随温度的变化而缓慢变化，气化操作空间大利于液态排渣。结晶渣的黏度随温度的变化会有一个突变点，导致黏度瞬间增大，不适合用于液态排渣的气化炉。塑性渣则介于两者之间，在实际生产中操作不易控制，容易堵塞下降管，同时会形成大量玻璃丝状灰渣，而玻璃丝状灰渣具有黏结剂的作用，使得细灰黏结在激冷室内，对工况稳定运行造成影响。

在生产中控制煤灰黏度过低，将导致炉砖表面挂渣减少，炉砖受气流侵蚀加剧。黏度控制的较高，易导致渣口、激冷室和破渣机等部位堵渣。无论煤灰黏度过高或过低都会影响气化炉的安全稳定运行，因此一般煤灰液态排渣最佳黏度控制在15~25Pa·s^[7]。从实际运行情况来看，黏度控制在5~45Pa·s也可满足生产要求。不同原料煤灰分的黏温特性如表5所示。

从表5可以看出，神优2、陕煤1、尔林兔、张家堡等原料煤灰分黏度随温度变化比较缓慢，是典型的玻璃渣，满足水煤浆气化用煤要求。欣昱、特低灰原料煤灰分黏度随温度降低存在一个突变点，是典型的结晶渣，因此不适合作为水煤浆气化用煤。       

3不同原料煤经济性分析

3.1原料煤气化特性

原料煤气化特性主要由转化率、二氧化碳反应性、气化反应速率、气化活性指数等参数共同影响。一般煤的气化反应历程主要分为3个阶段：①初期的干燥阶段，主要由煤焦中的水分蒸发所致；②热解反应段，主要是内部有机质的热解与挥发分脱除；③碳气化反应段，主要是煤焦与气化剂发生气化反应。碳转化率、反应速率与反应温度的关系分别如图1、图2所示。

3.2原料煤经济性比对

镇海炼化前、后共考察了数十种原料煤，并成功试烧了神优2、马泰壕、陕煤1、尔林兔、印尼煤等新煤种，其经济性指标如表6所示。

在同样煤浆浓度下，碳转化率越高、吨氢煤耗、氧耗越低的原料煤经济性越好，表6中原料煤经济性由高到低依次为：神优2、陕煤1、尔林兔、马泰壕、印尼煤。

4结束语

1）原料煤变质程度低、粒度级配合理、一定范围内提高水煤浆添加剂比例、水煤浆温度、pH值都能在一定程度上改善水煤浆成浆性。

2）气化炉内温度一般控制在1200~1300℃，低流动温度灰、较低流动温度灰的原料煤均可作为水煤浆气化用煤。

3）熔融煤灰可以分为玻璃渣、塑性渣和结晶渣，液态排渣黏度一般控制在5~45Pa·s，其中欣昱、特低灰原料煤灰分的黏度随着温度变化存在一个突变点，属于典型的结晶渣，不适合作为水煤浆工艺的气化用煤。

4）从经济运行角度分析，应选用低内水、低灰分、低灰熔点、高挥发分、高可磨指数、高热值、且煤质稳定的原料煤。镇海炼化成功试烧的原料煤经济性由高到低依次为：神优2、陕煤1、尔林兔、马泰壕、印尼煤。         

参考文献

[1]　侯侠，张伟伟. 煤化工科普知识[M]. 北京：中国石化出版社，2013：9-12.

[2]　赵忠霞. 不同煤质对水煤浆成浆性能的影响[J]. 内蒙古科技与经济，2016，35（23）：92-94.

[3]　马乐波. 宁煤集团气化用水煤浆原料煤筛选与制浆工艺研究[D]. 上海：华东理工大学，2016.

[4]　吴晓华，潘卫东，杨纯. 水煤浆添加剂对3 种煤的流动性能研究[J]. 煤炭学报，2011，36（3）：491-496.

[5]　柴志方，张瑞杰，姬文心. 温度对水煤浆稳定性影响的研究[J]. 矿业科学学报，2018，3（4）：392-397.

[6]　亢万忠. 煤化工技术[M]. 北京：中国石化出版社，2017：158-162.

[7]　李德侠. 煤灰熔融及黏温特性的研究[D]. 上海：华东理工大学，2012.         

A STUDY ON THE COAL AS FEEDSTOCK FOR COAL WATER SLURRY GASIFICATION

Gu Wenlong

（SINOPEC Zhenhai Refining and Chemical Branch，Ningbo 315200）

Abstract：Rude coal from different regions with different metamorphic grade has different performance onvarious aspects. Investigating dozens of rude coal，about ten species were selected as the feedstock for coal water slurry gasification. Burnt test was carried out on new coal species，such as Matai Trench，Shanmei No.1，Erling Rabbit，and Indonesian coal，and evaluation was made for these species from aspects of rude coal composition，coal water slurry formation property，fusibility and viscosity temperature property，and economic benefit.

Key words：rude coal；slurry formation；fusibility；viscosity temperature property；economic evaluation