尹洪清，王 艷，王振華，張 彥

（兗礦水煤漿氣化及煤化工國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題[1]。兗礦水煤漿氣化及煤化工國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，選取合適的煤種對該煤種進行調(diào)配，并在理論研究及實驗檢測分析的基礎(chǔ)上，進行工業(yè)摻燒應(yīng)用，解決了上述問題，保證了氣化爐的正常運行，現(xiàn)介紹如下。

1 煤灰黏溫特性對氣化爐運行的影響

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。氧化鈣含量不宜過高，原因是過高的堿性成分會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，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，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，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，氣化爐的運行工況較好，生產(chǎn)穩(wěn)定；當(dāng)熔渣為塑性渣時，操作不易控制，容易堵塞下降管，提高操作溫度難以結(jié)成有效的灰渣保護層、起到“以渣抗渣”的作用，最終造成灰渣對耐火磚的嚴(yán)重侵蝕。

一般認為，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時溫度再提高30℃），順利實現(xiàn)液態(tài)排渣。

2 實 驗

2.1 實驗煤種

實驗煤種主要為新疆吐魯番地區(qū)兩種煤種（簡稱HS煤和YT煤），新疆昌吉地區(qū)一種煤種（簡稱KG煤），實驗煤種煤質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表1 實驗煤種煤質(zhì)分析結(jié)果

2.2 實驗儀器及方法

2.2.1 煤灰成分分析

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

實驗過程：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)級純）10 mL，電熱板上緩慢加熱，再加入10 mL優(yōu)級純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。濃度高的元素，再稀釋100倍上機分析。

2.2.2 黏溫特性測試

主要實驗儀器：馬弗爐、陶瓷高溫爐、高溫黏度測定儀（型號Rheotronic-Ⅱ，美國Theta公司）等。

實驗過程：在馬弗爐中，用快灰法完全燃燒煤樣（按照GB/T 212—2008進行），收集煤灰。將煤灰放入陶瓷高溫爐內(nèi)，程序升溫，對煤灰進行預(yù)處理。儀器冷卻后取出預(yù)處理后的煤灰，再進行黏度測試。

采用GB/T 10247—2008的旋轉(zhuǎn)法測定黏度：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)濟性。因此，從實驗煤種的煤質(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3種實驗煤種的煤灰成分進行了分析，結(jié)果見表2，煤灰堿酸比、硅鋁比計算結(jié)果見表3。

表2 實驗煤種煤灰成分分析結(jié)果%

表3 實驗煤種煤灰堿酸比、硅鋁比計算結(jié)果

通過表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，研究認為當(dāng)氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%～30%時，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煤進行混配，理論上混配煤灰可以達到合適的堿酸比、硅鋁比[4]。

3.2 煤種調(diào)配實驗

3.2.1 YT煤煤灰黏溫特性分析

實驗初期測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)間相對較窄，與YT煤煤灰成分理論分析結(jié)論一致。通過煤灰成分分析和煤灰黏溫特性測定，發(fā)現(xiàn)YT煤單獨作為氣化煤種可操作溫度區(qū)間相對較窄，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煤進行配煤摻燒。

3.2.2 煤種混配理論計算

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、硅鋁比計算結(jié)果見表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，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。為驗證理論計算的可靠性，進一步對混煤煤質(zhì)和煤灰黏溫特性進行分析測試。

表4 混煤煤灰的堿酸比、硅鋁比計算結(jié)果

3.2.3 煤種混配分析測試

按照理論計算得出的3種混煤比例分析混煤煤質(zhì)，結(jié)果見表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)濟性運行需要。因此，選定的混煤煤質(zhì)基本滿足氣化爐運行需要。為驗證煤樣混配比例選擇的準(zhǔn)確性，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場煤炭儲量和混配操作條件，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）測試其黏溫特性，結(jié)果見圖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

按實驗確定的摻燒比例，即HS煤、YT煤、KG煤質(zhì)量比為5∶3∶2，進行了72 h工業(yè)摻燒試驗，結(jié)果顯示氣化爐雙爐穩(wěn)定運行，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%。通過氣化爐操作指標(biāo)和合成氣成分變化趨勢分析，氣化爐運行正常。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 對新疆地區(qū)3種氣化用煤進行的煤質(zhì)和煤灰成分分析測試表明，YT煤煤灰氧化鋁含量較高，理論預(yù)測和實際測試均證明其煤灰熔體為塑性渣，氣化操作溫度區(qū)間相對較窄；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)濟性。上述3種煤均不適宜直接作為氣流床氣化用煤。

4.2 實驗選用堿性成分偏高的HS煤、氧化硅含量較高的KG煤與YT煤進行配煤摻燒。經(jīng)灰成分分析和理論計算，HS 煤、YT 煤、KG 煤的質(zhì)量比為 5∶3∶2、7∶3∶2、3∶3∶1時，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€測試結(jié)果進一步驗證了混煤（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，順利實現(xiàn)了氣化煤種工業(yè)摻燒應(yīng)用。通過對72 h運行數(shù)據(jù)的分析，結(jié)果顯示氣化爐運行正常，操作爐溫可逐步降低50℃及以上。