德士古水煤浆加压气化的几个重要影响因素

德士古水煤浆加压气化的几个重要影响因素孙鸿，丛玉梅（贵州开阳化工有限公司，贵州开阳550300）日期：2007-8-17 德士古水煤浆加压气化作为第二代煤气化技术，有其独特的优越性，但也存在某些方面的局限，我们理应对其影响因素进行探究，以便更好地指导生产。

下面我们就从原料煤、配煤及助熔剂、水煤浆浓度及粒度、氧煤比、气化炉操作压力和气化炉主要部件等方面着重进行探讨：1 原料煤的选用根据德士古水煤浆加压气化技术的特性，在原料煤的选用上，应特别注意以下几点：（1）原料必须定点供应，这样煤质才能稳定，操作才容易控制，系统才能得以稳定运行。

（2）发热量要达25.12MJ/kg（一般的烟煤都能达到这个要求），越高越好。

（3）挥发分含量越高，越有利于德士古气化反应，增加煤气产率。

优化指标为Vdaf＞37%。

（4）固定碳含量越高越好。

（5）选用含内在水份较低的煤，这样水煤浆的浓度可以制得高一些。

根据经验，最高内在水分Ｍad≤8%为宜。

（6）选用的原料煤成浆性要好，这样制得的水煤浆才具有浓度高、表观粘度低、流动性好和稳定性好的性能。

目前评价成浆难易程度的数学模型如下：Ｄ=7.5＋0.5Ｍad－0.05HGI式中，Ｍad——煤的分析基最高内在水分；HGI——煤的哈氏可磨指数；Ｄ——成浆难度指数。

当Ｄ≤4时，煤易成浆；4＜Ｄ≤7，成浆难易程度一般；7＜Ｄ≤10，煤难于成浆；Ｄ＞10，极难成浆。

（7）煤中的灰含量越低越好。

煤中的灰分是不直接参加气化反应的惰性物质，但在煤气化时要消耗热量用于灰分本身的熔化，使氧耗增加。

根据有关资料介绍，在同样气化压力、温度、水煤浆浓度和有效气体产率等条件下，原料煤中灰分含量增加5%，氧气消耗增加3.5%～4.5%，煤耗要增加6%～10%。

另外，原料煤的灰含量增加，水系统的灰含量也会随之增加，造成渣水处理系统灰垢严重，影响系统的长周期稳定运行。

因此，在一般情况下，宜选用灰分含量低的煤，有利于节约能耗，降低成本，但经过技术经济比较，有时灰分含量稍高的煤也是可以采用的。

一般要求不高于15%～20%。

（8）宜选用低灰熔点的煤，以煤灰流动点T4（还原性气氛下）＜1300℃的煤最为合适。

煤的灰熔点高，气化炉的操作温度就要相应提高。

气化炉操作温度每提高100℃，单位产品合成气的氧气消耗要增加6%～7%，相应地，原料煤消耗也要增加，同时还会影响气化炉耐火砖使用寿命。

实验和生产实践证明，灰熔点低的煤，其灰渣的粘温特性不一定就好。

（9）煤灰渣的粘温特性要好。

原料煤在气化炉中气化时，其所含灰分呈熔融状态排出气化炉气化室，为了延长气化炉耐火砖的寿命，一般气化温度只要超过灰渣流动点50～100℃左右就可以，不能太高。

同时，还应该了解灰分流动点T4与开始变形点T1的温差△T；△T小，操作容易掌握。

煤灰的粘温特性是确定液态排渣气化炉操作温度的重要参数，实践指出，为使气化炉正常排渣，操作中，熔渣粘度应小于25Ｐa·s为宜。

否则，容易堵渣口。

所以，在做煤种评价试验时，还应该做煤灰渣的粘温特性试验，描绘出煤灰渣的粘温特性曲线，了解在不同温度下熔渣的粘度及流动性，以利于气化温度的控制。

（10）煤的反应活性越高越好。

我国采用CO2与煤进行反应，以CO2的还原率来表示煤的反应活性。

（11）煤的可磨性要好（可磨指数越大越好），要有利于煤浆粒度的分布，这样可以节省制水煤浆的动力，减少钢球的磨损和消耗。

（12）煤中一般都含有卤素，卤素在气化时会进入合成气和渣水中，会腐蚀后续设备和管道，影响管道的使用寿命，所以煤中的卤素含量以低为好。

（13）煤中硫含量不能过高。

硫在气化炉中反应，有的产物易使水系统结垢，有的产物能降低有效气体含量。

另外，还有腐蚀设备及管道的可能。

（14）煤不要长期堆放。

长期堆放，由于缓慢氧化会使煤变质。

2 配煤和助熔剂在原料煤灰熔点较高、灰渣粘温特性较差时，我们可以对入炉煤采用混配的方法，配入灰熔点低、灰渣粘温特性好的煤，以达到降低灰熔点，改善灰渣粘温特性的目的。

另外，还可以通过添加一定的助熔剂来降低灰熔点，提高熔渣的流动性。

我们常用的助熔剂是碳酸钙（石灰石），一般添加原则如下。

（1）煤灰中ｍ(SiO2)/ｍ(Al2O3)（质量比）小于3时，CaO在灰中的含量达30%～35%时熔点最低，若再增加CaO，熔点不降低反而有可能升高。

（2）煤灰中ｍ(SiO2)/ｍ（Al2O3）（质量比）大于3时，ｍ（SiO2）大于50%，灰中CaO含量为20%～25%时熔点最低，如果再增加CaO含量，其熔点将超过1350℃。

以上说明，石灰石的添加量有一个最佳值。

这是因为石灰石高温下分解出的CaO在灰渣—石灰石体系中起着双重的作用：它作为氧化剂破坏了硅聚合物，使粘度和熔点降低；与此同时，又形成了高熔点的原硅酸钙（其纯物质在2130℃下熔融）。

在大量添加石灰石的情况下，该物质又升高了体系的熔点温度和粘度，故添加石灰石不是愈多愈好。

另外，还要考虑石灰石的添加会使水煤浆的粘度和析水率有所增高，使水的硬度有所增高。

3 水煤浆浓度及粒度（1）煤浆浓度水煤浆浓度是德士古水煤浆气化的一个基本条件。

所谓水煤浆的浓度是指煤浆中煤的质量分数，该浓度与煤炭的质量、制浆的技术密切相关。

需要说明的是，水煤浆中的水分含量是指全水分，包括煤的内在水分。

通常使用的煤也并不是完全干的，一般含有5%～8%甚至更多的水分。

理论上可制得的最高煤浆浓度为（Ｃ）：Ｃ=77－1.2Ｄ（成浆难度指数）随着煤浆浓度的提高，煤气中的有效成分（CO+H2）增加，氧气的消耗（比氧耗）下降。

据资料报道，水煤浆浓度由44%增加到56%，冷煤气效率将提高40%。

因此提高和稳定水煤浆的浓度将有利于提高气化效率。

（2）煤浆粒度煤浆的粒度对碳的转化率有很大影响。

因为煤粒停留的时间和固—气反应的比接触面积与颗粒尺寸密切相关，较大的颗粒离开烧嘴后，在反应区的停留时间比小颗粒的停留时间短，而且，颗粒越大气固相的接触面积减小，这双重的影响结果是使大颗粒煤的转化率降低，导致灰渣中的含碳量增大。

综上所述，就单纯气化过程而言，似乎水煤浆的浓度越高、煤浆粒度越小，越有利于气化。

但实际生产过程中，不得不考虑煤浆的输送和煤浆在气化炉中的雾化，因为浓度越高、粒度越小，粘度就越大，输送和雾化也就更困难，煤浆浓度一般控制在60%～70%，粒度小于0.5mm，70%以上为14～60μm。

在工业规模的条件下，煤浆粘度是其浓度和粒度的制约因素。

工业上采用添加表面活性剂来降低其粘度，但其作用并不是无限的。

表面活性剂是一种两亲分子，由疏水基和亲水基两部分组成。

在水煤浆中，表面活性剂的亲水基伸入水中，而疏水基端却被煤粒的表面吸引，对煤粒起到很好的分散作用。

水煤浆用的表面活性剂多选择芳烃类中与煤结构相近的物质，这样可以在煤的表面更好地吸附。

总之，德士古水煤浆加压气化的收益明显受到水煤浆浓度和粒度的影响。

4 氧煤比氧煤比是德士古水煤浆加压气化最重要的工艺条件，它对碳的转化率起决定性的影响。

根据“六五”国家科技攻关项目——水煤浆加压气化制合成气开发研究（中间试验）技术总结报告中所列数据，绘出图1。

图1 氧煤比对碳转化率等的影响1—碳转化率；2—温度；3—冷煤气效率；4—CO2含量；5—CH4含量；6—有效气（CO＋H2）比氧耗/m3/km3；7—有效气（CO＋H2）比煤耗/kg/km3；8—干煤产气率/m3/kg由图中看到，碳转化率和反应温度随氧煤比的增大而显著增高；冷煤气效率和产气率随氧煤比的增大先逐渐增高，然后又逐渐下降，出现最大值；二氧化碳的含量和比煤耗随氧煤比的增大先逐渐下降，然后又逐渐增高，出现最小值；比氧耗随氧煤比的增大而逐渐增大；甲烷含量随氧煤比的增大而逐渐下降。

另外，再考虑到烧嘴和耐火砖的使用寿命等因素，德士古水煤浆加压气化的收益将随着氧煤比的增大而先增后降，出现一个拐点。

据此，可确定一个最佳氧煤比。

在实际生产中，应尽量靠近最佳氧煤比操作。

当实际氧煤比低于最佳氧煤比时，要适当加氧（或减煤浆）；当实际氧煤比高于最佳氧煤比时，要适当减氧（或加煤浆），以使其靠近最佳氧煤比。

某化肥厂曾经因为灰渣含碳量太高（实际氧煤比较低），在煤浆流量不变的条件下，通过提高氧的加入量来提高氧煤比的方法在德士古气化装置上进行了验证性试验。

当氧气的消耗量从每天的263900m3，提高到267200m3后，有效气体（CO+H2）的含量从试验前的83.85%降低到81.84%；而二氧化碳的含量从试验前的15.94%提高到17.74%；灰渣可燃物的含量从试验前的43.96%降低到31.83%。

与此相应的比煤耗从试验前的0.5653kg/m３（CO＋H2），降低到0.5410kg/ m3（CO+H2）；合成气产量也从试验前的873350m3/d，提高到887400 m3/d。

由此可见，根据具体情况在一定范围内适当调节氧煤比，使其接近最佳值对于提高合成气产量，降低生产成本，实现效益运行意义重大。

5 气化压力德士古水煤浆加压气化的操作压力可分中压（＜4.0MPa）和高压（＜8.5MPa）两种。

众所周知，德士古水煤浆加压气化的最大优点是节省煤气的压缩费用。

由于气化反应是增容反应，在加压气化过程中，压缩氧比在常压气化压缩煤气要经济得多，如氨合成压力为22MPa，造气压力为3MPa时，则可节省45%～50%的压缩功。

另外，提高操作压力能使碳与气化剂接触更紧密，能增强烧嘴的雾化效果，从而提高碳的转化率，其转化率可达98%～99%，而常压气化只有93%～95%；提高操作压力可使气流速度降低，更有利于煤气中灰渣分离，其分渣效率可达93%～95%；提高操作压力能提高气化强度，从而提高单炉生产能力。

就加压气化和常压气化而言，加压气化的生产能力一般为常压气化的倍左右，即V２≈ V1，其中V2﹑V1及P分别代表加压﹑常压气化炉的生产能力和加压气化压力。

更引人兴趣的是，加压气化有利于实现气化后等压（如6.5 MPa）合成甲醇。

若在8.5 MPa压力下气化可发展等压合成氨工艺。

至于选择多高的气化压力，通常根据煤气的最终用途、后面工段的工艺要求等，经过核算来确定。

6 气化炉主要部件（1）烧嘴（喷嘴）。

烧嘴是德士古气化炉的心脏设备，烧嘴有不同的结构，一般都采用三流道式烧嘴。

它由三根同心而沿轴渐缩的喷管组装而成，氧气走中心管和外环隙，中心管约导入15%氧气，外环隙约导入85%氧气，水煤浆走内环隙，氧气和水煤浆并流入炉。

在外喷嘴上设有冷却水套和冷却盘管，以减少因热辐射可能导致烧嘴变形的热应力作用。

烧嘴的设计、制造及其安装高度，直接影响到烧嘴雾化性能、火焰刚性及长度、合成气有效组成、炉子寿命及其经济效益等。

烧嘴雾化角度与炉膛大小相匹配。

若角度过大，会使耐火衬里受煤浆颗粒严重磨损；若过小，会导致炉膛高温区上移，气化效率低。