气化技术煤种及选择

1 气化技术采用煤种及评价选择 技术顾问 冯孝庭 说明： 按要求，现将煤种的简要介绍和对气化用原料煤种的评

价选择思路、煤的各种指标对气化过程的影响筒单说明如下。 Ⅰ. 煤的种类： 煤种评价的目的是为了对煤种特性进行了解，并筛选出适合不同气化工艺装置经济运行的煤源，为煤化工项目的煤矿矿点的选择提供决策依据。 对新建工厂而言煤种评价还要为工程设计服务，即为完成工艺设计软件包提供设计所需的基础数据。 煤种的评价过程包括实验室评价以及工业试烧评价两步，前者是对煤种基本性能进行了解和评价，后者则是对实验室评价结果的进一步完善和补充，并为基础设计采集基本数据。在经验丰富的时候，也可以不再进行工业试烧评价。 由于煤的形成过程很复杂，随着生成煤的年代不同、地质条件不同、地球的地壳运动不同、煤化程度的不同等等，生成煤的性质相差很大： 按煤生成的年代、时间長短不同，煤的煤化程度不同，通常把煤分类为：褐煤(含泥煤)、烟煤、无烟煤： 褐煤最年青，挥发份最高、水份含量也最高，但是固定碳含量较低、热值也较低，但是反应活性很好；而“年青的褐煤”与“年老的褐煤”的各种性能相差也较大； 烟煤是一大范围，按其性能又可分为：长焰煤、气煤、肥煤、焦煤和瘦煤等等。它们的挥发份适中、热值较高、固定碳含量适中、反应活性也较好，其中部分气煤、肥煤、焦煤和瘦煤是炼焦的原料煤(炼焦用煤是需要根据上述各种煤的具体性质进行配煤，混配成适宜炼焦 2

的原料煤)。我国炼焦所需原料煤的供应十分紧张(还需进口)、价格很高，出厂价格目前大约为600元/吨，尽管它们也是优良的煤气化用煤，但是，从价格和资源合理利用来看，均不宜选择它们做气化原料煤。不过当上述煤中含灰份较高(洗煤后灰份仍然高)、含硫较高时，它们也不宜用作炼焦用煤，此时也可以将它们列为气化原料煤的备选之列进行技术经济评选。 无烟煤是年代最古老的煤种，它们的挥发份很低、固定炭含量最高、热值高，但反应活性有的较差。无烟煤也是较好的煤气化用煤，我国众多合成氨厂(氮肥厂)和许多小甲醇厂均用无烟煤作为气化原料煤。 不同的煤种，适宜于选用不同的气化技术：通常情况，褐煤适于选用恩德气化炉技术；年轻的烟煤适宜选用德国鲁奇炉技术；其他煤化程度稍高的烟煤和部分无烟煤适宜优先选用水煤浆气化技术；难以制成水煤浆的煤种则可以选择Shell或GSP粉煤气化技术。 上述各种煤种中均有含硫量不同的煤，为减少对大气的污染，国家规定含硫量大于1.5～2%的煤不准于作燃料煤；大于2%的煤层不准开采。我国煤好地质储量中约在接近50%的高硫煤，有相当多的高硫煤已具备开采条件而不能开采。高硫煤有许多是可以作为气化原料煤的，而硫可以回收为副产品硫磺。因此，在有条件的情况下，优先选用可以适宜于水煤浆气化的高硫煤种是受国家鼓励和经济上更有利的(同样品质的煤中高硫煤价应低一些)。 煤种与适宜气化技术的配合是十分重要的。选定煤、选定气化技术后，切不可任意改变，不少企业因此而造成的損失和教训是十分严重的。 3

Ⅱ. 煤气化用原料煤的选择 一、原料煤种的选择 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。 高活性、高挥发分的烟煤是德士古水煤浆气化工艺的首选煤种。 对原料煤的下述性能和参数应当重视： ⑴ 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用，但更重要的是内水是影响成浆性能的 4

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。 ⑵ 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。 ⑶ 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。 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 5

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 37~60 16~33 0.9~1.9 4~25 3~15 1.2~2.9 0.3~3.6 0.2~1.9 0.1~2.4 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1~5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/℃ 成分 熔点/℃ 成分 熔点/℃

SiO2晶体 1723 3Al2O3 2SiO2 1850 CaO Al2O3 2SiO2 1553 Al2O3 2020 2FeO SiO2 1065 2CaO Al2O3 SiO2 1590 CaO 2570 CaO SiO2 1544 2CaO FeO 2SiO2 1203 MgO 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， 6

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，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1400℃以上每增加20℃，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30～50℃。 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15～40Pa•S之间。 ◇ 助熔剂 由于材料耐热能力的限制，对灰熔点高于1400℃的煤如果还要采用熔渣炉气化，应当使用助熔剂，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，