尹洪清，王 艷，王振華，張 彥

（兗礦水煤漿氣化及煤化工國(guó)家工程研究中心有限公司，山東 滕州 277527）

新疆地區(qū)某多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化裝置主用煤種的煤灰以塑性渣為主，氣化裝置可操作溫度區(qū)間較窄，煤灰黏溫特性不適宜氣化爐液態(tài)排渣。氣化爐經(jīng)常處于高溫操作，存在爐壁超溫、耐火磚侵蝕嚴(yán)重、降溫操作易形成堵渣等問(wèn)題[1]。兗礦水煤漿氣化及煤化工國(guó)家工程研究中心有限公司基于該煤種灰成分和黏溫特性，結(jié)合新疆地區(qū)氣化煤種現(xiàn)狀，選取合適的煤種對(duì)該煤種進(jìn)行調(diào)配，并在理論研究及實(shí)驗(yàn)檢測(cè)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行工業(yè)摻燒應(yīng)用，解決了上述問(wèn)題，保證了氣化爐的正常運(yùn)行，現(xiàn)介紹如下。

1 煤灰黏溫特性對(duì)氣化爐運(yùn)行的影響

煤灰成分決定煤灰熔融性及黏溫特性。其中，煤灰堿酸比及硅鋁比是影響煤灰熔融性及黏溫特性的關(guān)鍵因素。煤灰堿酸比是堿性成分（氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂、氧化鈉、氧化鉀）與酸性成分（氧化鋁、氧化硅、氧化鈦）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比，硅鋁比即氧化硅與氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比。煤灰成分中酸性成分可增加灰渣黏度，堿性成分可降低灰渣黏度。在氧化硅含量適當(dāng)?shù)那闆r下，可平滑灰渣黏溫特性曲線，增加氣化爐的可操作溫度區(qū)間。氧化鈣含量不宜過(guò)高，原因是過(guò)高的堿性成分會(huì)使灰熔融性溫度升高，并使煤灰高溫下熔融體中固體粒子數(shù)量增多，流動(dòng)溫度變小，可操作溫差變窄，氣化爐溫度難以控制。

相關(guān)研究表明[2-3]，煤灰中氧化鈣、氧化鐵、氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和＜30%且氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜24%時(shí)，煤灰熔體多呈玻璃體渣；當(dāng)氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%～30%時(shí)，煤灰熔體多呈塑性渣；當(dāng)氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞30%或氧化鈣、氧化鐵、氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和＞30%時(shí)，煤灰熔體多為結(jié)晶渣。當(dāng)熔渣是玻璃球狀（玻璃體渣或近玻璃體渣）時(shí)，氣化爐的運(yùn)行工況較好，生產(chǎn)穩(wěn)定；當(dāng)熔渣為塑性渣時(shí)，操作不易控制，容易堵塞下降管，提高操作溫度難以結(jié)成有效的灰渣保護(hù)層、起到“以渣抗渣”的作用，最終造成灰渣對(duì)耐火磚的嚴(yán)重侵蝕。

一般認(rèn)為，氣流床氣化液態(tài)排渣的可操作溫度，最大控制范圍應(yīng)滿足高溫煤灰渣黏度為3 Pa·s～25 Pa·s，氣化爐可操作最低溫度可選擇T25+30℃（即煤灰渣黏度25 Pa·s時(shí)溫度再提高30℃），順利實(shí)現(xiàn)液態(tài)排渣。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)煤種

實(shí)驗(yàn)煤種主要為新疆吐魯番地區(qū)兩種煤種（簡(jiǎn)稱HS煤和YT煤），新疆昌吉地區(qū)一種煤種（簡(jiǎn)稱KG煤），實(shí)驗(yàn)煤種煤質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)煤種煤質(zhì)分析結(jié)果

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及方法

2.2.1 煤灰成分分析

主要實(shí)驗(yàn)儀器：ICP等離子發(fā)射光譜儀（型號(hào)Prodigy XP，安捷倫科技有限公司）。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：準(zhǔn)確稱量煤灰0.1 g，稱準(zhǔn)至0.000 1 g，置于PTFE燒杯中，加入濃硝酸（優(yōu)級(jí)純）10 mL，電熱板上緩慢加熱，再加入10 mL優(yōu)級(jí)純HF消解至溶液清亮后，加入適量硝酸，加熱至近干，去除HF。最后經(jīng)去離子水轉(zhuǎn)移定容至50 mL待測(cè)。濃度高的元素，再稀釋100倍上機(jī)分析。

2.2.2 黏溫特性測(cè)試

主要實(shí)驗(yàn)儀器：馬弗爐、陶瓷高溫爐、高溫黏度測(cè)定儀（型號(hào)Rheotronic-Ⅱ，美國(guó)Theta公司）等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：在馬弗爐中，用快灰法完全燃燒煤樣（按照GB/T 212—2008進(jìn)行），收集煤灰。將煤灰放入陶瓷高溫爐內(nèi)，程序升溫，對(duì)煤灰進(jìn)行預(yù)處理。儀器冷卻后取出預(yù)處理后的煤灰，再進(jìn)行黏度測(cè)試。

采用GB/T 10247—2008的旋轉(zhuǎn)法測(cè)定黏度：在還原性氣氛下，使剛玉轉(zhuǎn)子在高溫熔化的煤炭灰渣溶液中旋轉(zhuǎn)，記錄溶液溫度由高向低逐漸降低的過(guò)程中，轉(zhuǎn)子的黏性扭矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化。根據(jù)溶液的黏度與黏性扭矩成正比、與轉(zhuǎn)速成反比的關(guān)系，計(jì)算出灰渣溶液的高溫黏度，從而得到煤炭灰渣的高溫黏度特性曲線。

3 結(jié)果與討論

3.1 煤質(zhì)及煤灰成分分析

由表1可以看出，3種煤樣水分較低，適宜制備水煤漿，工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用證明，3種煤樣的成漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在61%以上。HS煤灰熔融性溫度較高（FT＞1 350℃），不適宜直接應(yīng)用于水煤漿氣化爐；KG煤灰分較高，影響氣化經(jīng)濟(jì)性。因此，從實(shí)驗(yàn)煤種的煤質(zhì)分析得出，HS煤、KG煤不適宜直接用作水煤漿氣化煤種。

為初步判斷煤灰熔融性及黏溫特性，并指導(dǎo)煤種調(diào)配，對(duì)3種實(shí)驗(yàn)煤種的煤灰成分進(jìn)行了分析，結(jié)果見(jiàn)表2，煤灰堿酸比、硅鋁比計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 實(shí)驗(yàn)煤種煤灰成分分析結(jié)果%

表3 實(shí)驗(yàn)煤種煤灰堿酸比、硅鋁比計(jì)算結(jié)果

通過(guò)表1～3結(jié)果可以看出，HS煤煤灰堿性成分偏多，煤灰堿酸比1.37，煤灰中堿性成分過(guò)高，使灰熔融性溫度（FT）升高。YT煤煤灰氧化鋁含量較高，硅鋁比偏低，研究認(rèn)為當(dāng)氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%～30%時(shí)，煤灰熔體多呈塑性渣。KG煤煤灰氧化硅含量較高，堿性成分偏少。因此，選用堿性成分偏高的HS煤、氧化硅含量較高的KG煤與氧化鋁含量較高的YT煤進(jìn)行混配，理論上混配煤灰可以達(dá)到合適的堿酸比、硅鋁比[4]。

3.2 煤種調(diào)配實(shí)驗(yàn)

3.2.1 YT煤煤灰黏溫特性分析

實(shí)驗(yàn)初期測(cè)試了煤灰堿酸比和硅鋁比較適宜的YT煤的煤灰黏溫特性，結(jié)果見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出，YT煤灰渣可歸類為塑性渣，其整體灰渣黏度較低，但隨溫度的降低，灰渣黏度的升高速度較快，3 Pa·s～25 Pa·s（灰渣溫度 1 194 ℃～1 247℃）的可操作溫度區(qū)間相對(duì)較窄，與YT煤煤灰成分理論分析結(jié)論一致。通過(guò)煤灰成分分析和煤灰黏溫特性測(cè)定，發(fā)現(xiàn)YT煤?jiǎn)为?dú)作為氣化煤種可操作溫度區(qū)間相對(duì)較窄，高溫操作易造成爐壁超溫、耐火磚侵蝕嚴(yán)重，低溫操作又極易形成堵渣等問(wèn)題。因此，可選用堿性成分偏高的HS煤、氧化硅含量較高的KG煤與YT煤進(jìn)行配煤摻燒。

3.2.2 煤種混配理論計(jì)算

根據(jù)表2，控制堿酸比在0.8左右、硅鋁比在2.0左右，調(diào)節(jié)各煤種調(diào)配比例，計(jì)算混煤的煤灰堿酸比和硅鋁比。不同配煤比下混煤煤灰的堿酸比、硅鋁比計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

圖1 YT煤灰渣黏溫特性曲線

由表4可知，HS煤、YT煤、KG煤的摻配質(zhì)量比分別為 5∶3∶2、7∶3∶2、3∶3∶1 時(shí)，堿酸比和硅鋁比與預(yù)定的控制指標(biāo)接近。因此，初步確定3種適應(yīng)于液態(tài)排渣氣化爐的配煤比例為HS煤、YT煤、KG煤質(zhì)量比為5∶3∶2、7∶3∶2、3∶3∶1。為驗(yàn)證理論計(jì)算的可靠性，進(jìn)一步對(duì)混煤煤質(zhì)和煤灰黏溫特性進(jìn)行分析測(cè)試。

表4 混煤煤灰的堿酸比、硅鋁比計(jì)算結(jié)果

3.2.3 煤種混配分析測(cè)試

按照理論計(jì)算得出的3種混煤比例分析混煤煤質(zhì)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 混煤煤質(zhì)分析結(jié)果

由表5可知，3種混煤煤樣水分較低，適宜制備水煤漿；灰分滿足氣化爐經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行需要。因此，選定的混煤煤質(zhì)基本滿足氣化爐運(yùn)行需要。為驗(yàn)證煤樣混配比例選擇的準(zhǔn)確性，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)煤炭?jī)?chǔ)量和混配操作條件，結(jié)合混煤煤質(zhì)分析結(jié)果，選定混煤（HS煤、YT煤、KG煤質(zhì)量比為 5∶3∶2）測(cè)試其黏溫特性，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 混煤（HS 煤、YT 煤、KG 煤質(zhì)量比為 5∶3∶2）煤灰黏溫特性曲線

由圖 2 可知，混煤煤灰黏度 3 Pa·s～25 Pa·s（灰渣溫度1 178℃～1 322℃）的溫度區(qū)間為144℃，最低操作溫度1 208℃。因此，選取的混配比例（HS煤、YT煤、KG煤質(zhì)量比為5∶3∶2）適用于液態(tài)排渣氣化爐操作。

3.3 工業(yè)摻燒應(yīng)用

按實(shí)驗(yàn)確定的摻燒比例，即HS煤、YT煤、KG煤質(zhì)量比為5∶3∶2，進(jìn)行了72 h工業(yè)摻燒試驗(yàn)，結(jié)果顯示氣化爐雙爐穩(wěn)定運(yùn)行，氣化爐操作溫度比單燒YT煤降低約70℃。72 h內(nèi)氣化爐爐膛平均溫度為1 331℃，平均壓力為5.7 MPa；生產(chǎn)1 000 m3（CO+H2）平均煤耗565 kg，氧耗397 m3；合成氣有效成分平均體積分?jǐn)?shù)為80.94%、甲烷平均體積分?jǐn)?shù)為108×10-6、二氧化碳平均體積分?jǐn)?shù)為18.65%。通過(guò)氣化爐操作指標(biāo)和合成氣成分變化趨勢(shì)分析，氣化爐運(yùn)行正常。結(jié)合混煤灰熔融性溫度和黏溫特性曲線，可繼續(xù)將操作爐溫降低50℃及以上。

4 結(jié) 論

4.1 對(duì)新疆地區(qū)3種氣化用煤進(jìn)行的煤質(zhì)和煤灰成分分析測(cè)試表明，YT煤煤灰氧化鋁含量較高，理論預(yù)測(cè)和實(shí)際測(cè)試均證明其煤灰熔體為塑性渣，氣化操作溫度區(qū)間相對(duì)較窄；HS煤煤灰堿性成分偏多，灰熔融性溫度（FT）較高；KG煤灰分較高，影響氣化經(jīng)濟(jì)性。上述3種煤均不適宜直接作為氣流床氣化用煤。

4.2 實(shí)驗(yàn)選用堿性成分偏高的HS煤、氧化硅含量較高的KG煤與YT煤進(jìn)行配煤摻燒。經(jīng)灰成分分析和理論計(jì)算，HS 煤、YT 煤、KG 煤的質(zhì)量比為 5∶3∶2、7∶3∶2、3∶3∶1時(shí)，煤灰堿酸比和硅鋁比與預(yù)定的控制指標(biāo)接近?；烀好夯茵厍€測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了混煤（HS 煤、YT 煤、KG 煤質(zhì)量比為 5∶3∶2） 的可操作溫度區(qū)間較寬，適用于氣化爐液態(tài)排渣操作。

4.3 按HS煤、YT煤、KG煤質(zhì)量比為 5∶3∶2的配煤方案，順利實(shí)現(xiàn)了氣化煤種工業(yè)摻燒應(yīng)用。通過(guò)對(duì)72 h運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，結(jié)果顯示氣化爐運(yùn)行正常，操作爐溫可逐步降低50℃及以上。