王 東 升

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

目前，煤炭在我國一次能源結(jié)構(gòu)中仍占有主要地位，即在碳中和、碳達(dá)峰的背景下，煤炭的使用方式將由傳統(tǒng)的燃料改變?yōu)槿剂吓c原料并重，煤炭的清潔高效利用日益受到重視，而以煤氣化技術(shù)為龍頭的現(xiàn)代煤化工技術(shù)是煤炭清潔高效利用的重要途徑之一[1]。氣流床氣化技術(shù)是先進(jìn)的煤氣化工藝之一，具有煤種適應(yīng)性廣、氣化效率高、單爐處理量大等特點(diǎn)[2-3]。氣流床氣化爐采用液態(tài)排渣工藝，灰渣的黏溫特性直接影響排渣性能以及氣化爐內(nèi)壁掛渣的厚度，進(jìn)而影響氣流床氣化爐長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了保證氣流床氣化爐液態(tài)排渣過程的順暢，一般以黏度為5～25 Pa·s 對應(yīng)的溫度區(qū)間作為氣化爐的溫度操作區(qū)間，在此溫度區(qū)間內(nèi)灰渣表現(xiàn)為較好的流動性。

氣流床氣化爐主要以優(yōu)質(zhì)的低變質(zhì)程度煙煤為原料。神東礦區(qū)蘊(yùn)藏著儲量豐富的優(yōu)質(zhì)低階煤資源，除了作為優(yōu)質(zhì)的動力煤銷售以外還可用作化工原料煤，在灰分、硫分、反應(yīng)性、供應(yīng)穩(wěn)定性等方面也具有較大的優(yōu)勢[4]。但部分神東礦區(qū)氣化用煤的煤灰黏溫特性不理想，易造成氣化爐排渣不暢與能效下降，因此，研究神東礦區(qū)氣化原料煤的煤灰黏溫特性及進(jìn)行調(diào)控試驗(yàn)有助于為典型氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 礦物質(zhì)對煤灰特性影響及煤灰特性調(diào)控

1.1 煤灰特性概述

表征煤灰在高溫下熔融、流動等特性的指標(biāo)包括煤灰熔融性和煤灰黏溫特性。其中，煤灰熔融性是燃料用煤和化工用煤的主要關(guān)注指標(biāo)，可以此初步判斷煤在燃燒轉(zhuǎn)化過程中灰的軟化、熔融和結(jié)渣特性等，但不能較好地表征煤灰在熔融過程中的流動特性[5]。而煤灰黏溫特性能夠較好地表征煤灰在不同溫度熔融狀態(tài)下的流動性質(zhì)。

煤中無機(jī)礦物質(zhì)在氣化爐中的高溫演化行為決定運(yùn)行參數(shù)和生產(chǎn)的穩(wěn)定性[6]。煤中礦物質(zhì)在經(jīng)歷一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化后，以熔融狀的液態(tài)渣在重力作用下沿氣化爐壁排出，煤灰的熔融特性和黏溫特性直接影響氣化裝置的穩(wěn)定性。

根據(jù)不同溫度下煤灰黏度的變化特征，灰渣形態(tài)一般可分為玻璃渣、塑性渣和結(jié)晶渣[7]。在氣流床氣化操作溫度區(qū)間內(nèi)，爐渣最好處于玻璃渣形態(tài)，且操作溫度區(qū)間范圍通常在50～150 ℃[8]；若在操作溫度區(qū)間內(nèi)爐渣屬于塑性渣或結(jié)晶渣，則隨著操作溫度的波動，爐渣的黏度變化較劇烈，不利于氣化爐的穩(wěn)定生產(chǎn)[9]，且由此降低氣化爐的碳轉(zhuǎn)化效率，甚至造成停爐事故，給企業(yè)造成巨大的損失。

1.2 煤中礦物質(zhì)對煤灰特性的影響

煤中的礦物質(zhì)是除游離水分以外的煤中所有無機(jī)物的總稱。目前，在煤中發(fā)現(xiàn)的礦物質(zhì)種類已超過一百種，其中絕大多數(shù)含量較少，主要成分通常是黏土礦物、硫化物礦物、碳酸鹽礦物、硫酸鹽礦物和氧化物礦物等。礦物質(zhì)經(jīng)過燃燒或氣化反應(yīng)后主要以灰渣的形式呈現(xiàn)[10]。灰渣是1種比較復(fù)雜的無機(jī)混合物，在大多數(shù)研究中以及工業(yè)應(yīng)用上均以氧化物的形式表示煤灰化學(xué)成分，一般包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、MnO2、Na2O、K2O、SO3等[11]。

煤灰熔融溫度是氣化用煤的1項(xiàng)重要質(zhì)量指標(biāo)，其溫度高低取決于煤灰的組成及其含量[12]，目前大量對煤灰熔融溫度的研究建立在其化學(xué)成分的基礎(chǔ)上。按煤灰化學(xué)成分的自身特性可將其分為酸性氧化物(SiO2、Al2O3和TiO2)和堿性氧化物(Fe2O3、CaO、MgO、Na2O和K2O)，其中酸性氧化物通常起到提高煤灰熔融溫度的效果，而堿性氧化物則通常起到降低煤灰熔融溫度的作用[13]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者就煤灰化學(xué)組成與煤灰黏溫特性的相互關(guān)系進(jìn)行大量研究。通常認(rèn)為，SiO2在一定范圍內(nèi)能增加灰渣黏度。由于SiO2具有四面體結(jié)構(gòu)，易與其他四面體結(jié)構(gòu)相結(jié)合而形成煤灰渣熔體中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此煤灰中的SiO2含量越高，煤灰渣熔體中能形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就越大，熔體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的內(nèi)摩擦力也就越大。Al2O3是典型的兩性化合物，既可以是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成體，也可是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的修飾體，但視組分含量而定。

不同價態(tài)的Fe系氧化物對煤灰黏度的作用不同：在弱還原性氣氛中，F(xiàn)e系氧化物多以FeO形態(tài)存在，起到降低灰黏度的作用；在氧化性氣氛下，鐵元素以Fe3+形式存在，可以與硅氧四面體中的氧原子相連，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)體系，起到網(wǎng)絡(luò)形成者的作用，增強(qiáng)灰黏度。堿金屬和堿土金屬氧化物(CaO、MgO、Na2O、K2O)總體上能起到降低煤灰黏度的作用。因而不同煤灰成分對于煤灰黏度的影響不能僅進(jìn)行孤立分析，在研究時應(yīng)充分了解各個成分相互之間的影響。

1.3 煤灰特性調(diào)控

配煤和添加助熔劑是調(diào)控煤灰特性的主要方法[14]。添加助熔劑(如CaCO3)能夠起到調(diào)整煤灰特性的作用，由于助熔劑多為無機(jī)物，因而會增加原料煤的灰分、降低氣化效率及發(fā)生助熔劑混合不均勻等問題。同時配入不同礦物組成的原料煤以改變煤中礦物組成和含量，從而改善煤灰特性、減少氣化爐的排渣量、降低氧耗、實(shí)現(xiàn)煤質(zhì)互補(bǔ)及優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)[15]。為了保障氣流床氣化爐順利排渣與工況穩(wěn)定，有必要針對原料煤的煤灰特性以及礦物組成而采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段對其進(jìn)行調(diào)控，從而提高氣化爐的轉(zhuǎn)化效率。

2 煤灰黏溫特性及調(diào)控試驗(yàn)研究

2.1 原料煤

選擇神東礦區(qū)典型的化工原料煤即氣化用煤A和煤B，分析其煤質(zhì)特點(diǎn)及煤灰特性，通過試驗(yàn)研究配煤對煤灰特性調(diào)控的可行性。

2.2 主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

煤灰黏溫特性測試設(shè)備采用自行研制的煤灰高溫黏度測定儀(圖1)，可采用間歇法或連續(xù)法進(jìn)行測試，測試設(shè)備、測試條件及測試結(jié)果均能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31424—2015《煤灰黏度測定方法》的要求。另外，試驗(yàn)還采用掃描電鏡、灰熔融性測定儀及其他指標(biāo)的測試設(shè)備。

圖1 煤灰高溫黏度測定儀Fig.1 High temperature viscosity tester for coal ash

2.3 結(jié)果分析

(1)煤A、煤B的測試結(jié)果見表1～4，表明2種煤均具有特低灰、特低～低硫、中高揮發(fā)分的特點(diǎn)。其中，煤C為煤A、煤B按1：1配比的配合煤，煤A的灰分、全硫含量略低于煤B，煤A、B對二氧化碳的反應(yīng)性均較高。

表1 神東礦區(qū)氣化用煤的工業(yè)分析及全硫測定結(jié)果Table 1 Industrial analysis and total sulfur of gasification coal in Shendong mining area

表2 神東礦區(qū)氣化用煤對二氧化碳的反應(yīng)性Table 2 Coal reactivity to carbon dioxide of gasification coal in Shendong mining area

(2)在煤灰特性方面，煤A、煤B的灰熔融性溫度均較低，煤灰熔融性流動溫度(FT)低于1 250 ℃，與5～25 Pa·s 對應(yīng)的溫度區(qū)間均超過120 ℃，基本符合液態(tài)排渣氣化工藝對原料煤的要求。① 煤灰成分。SiO2含量通常較高，Al2O3含量略低，酸性氧化物含量偏低，而堿金屬氧化物中CaO、Fe2O3含量均比較高，此為2種煤煤灰熔融性溫度均較低的原因，煤A灰中CaO含量達(dá)到27.56%，其單獨(dú)存在時熔融溫度較高(在2 570 ℃左右)。當(dāng)煤灰中CaO含量達(dá)到一定數(shù)值時，煤灰的熔融溫度反而會有所提高，此為煤A的煤灰熔融性溫度高于煤B的主要原因。② 煤灰黏溫特性。煤A和煤B的煤灰黏溫曲線以塑性渣為主，煤B的灰黏度略高于煤A，因前者的SiO2與Al2O3總含量相對較高。煤B在1 320 ℃時對應(yīng)的黏度發(fā)生突變，據(jù)分析是煤灰中CaO較高之故。因CaO具有稀釋熔渣的作用，但CaO達(dá)到一定量后則過多的Ca2+游離在硅鋁酸鹽的熔體網(wǎng)絡(luò)中易發(fā)生結(jié)晶，導(dǎo)致煤灰黏度增加。

(3)利用掃描電鏡礦物分析煤A和煤B中的礦物類型和分布形態(tài)。煤中主要礦物包括黏土礦、方解石、黃鐵礦、菱鐵礦和石英，其中黏土礦以伊利石為主，高嶺石含量較少。煤B中的伊利石含量略高于煤A的相應(yīng)含量，煤A中的方解石含量略高。

神東礦區(qū)氣化用煤中的典型礦物主要涵括伊利石、方解石、菱鐵礦、黃鐵礦，其分布形態(tài)如圖2所示，其中伊利石多以典型的片層狀或致密塊狀獨(dú)立賦存，方解石通常填充于煤的裂隙或有機(jī)質(zhì)組分中的結(jié)構(gòu)孔隙中，菱鐵礦以塊狀、結(jié)核狀賦存為主，黃鐵礦則多為填充于孔隙的無定形狀態(tài)。

煤A和煤B按照1∶1比例混配后，其煤灰成分、煤灰黏溫特性的測試結(jié)果分別見表3、4，黏溫曲線變化如圖3所示。配合煤的煤灰成分和煤灰熔融性溫度總體上介于煤A和煤B之間，配合煤的煤灰黏溫特性與煤B相比則有所改善，25 Pa·s對應(yīng)的溫度下降幅度較大，氣化操作窗口溫度區(qū)間變大。

表3 神東礦區(qū)氣化用煤的煤灰成分及煤灰熔融性溫度Table 3 Coal ash composition and fusibility temperature of gasification coal in Shendong mining area

表4 神東礦區(qū)氣化用煤的煤灰黏溫特性Table 4 Coal ash viscosity-temperature characteristics of gasification coal in Shendong mining area

圖3 原煤及配合煤的黏溫曲線變化Fig.3 Variation of viscosity-temperature curve of raw coal and blended coal

3 結(jié) 論

(1)神東礦區(qū)典型氣化用煤屬于優(yōu)質(zhì)的侏羅紀(jì)煤，具有特低灰、低硫、中高揮發(fā)分、反應(yīng)性高等特點(diǎn)，煤灰熔融性溫度均較低，煤A和煤B的煤灰黏溫曲線以塑性渣為主，與5～25 Pa·s對應(yīng)的溫度區(qū)間均在120 ℃以上，符合液態(tài)排渣氣化工藝對煤灰黏度的要求。

(2)神東礦區(qū)典型氣化用煤中的主要礦物包括黏土礦、方解石、黃鐵礦、菱鐵礦和石英，其中黏土礦物以伊利石為主，高嶺石含量較少。其中伊利石多以典型的片層狀或致密塊狀獨(dú)立賦存，方解石通常填充于煤的裂隙或有機(jī)質(zhì)組分中的結(jié)構(gòu)孔隙中，菱鐵礦以塊狀、結(jié)核狀賦存為主，黃鐵礦多為填充于孔隙的無定形狀態(tài)。

(3)煤灰黏溫特性主要受煤中礦物質(zhì)類型、含量以及賦存形態(tài)影響。我國各產(chǎn)煤地區(qū)的成煤時代、成煤條件千差萬別，煤灰熔融性和煤灰特性也存在較大差異，通過配入不同礦物組成的煤能夠改善原煤的煤灰特性。為了保障氣流床氣化爐順利排渣及工況穩(wěn)定，對神東礦區(qū)典型氣化用原料煤的煤灰特性以及礦物組成采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段對其進(jìn)行調(diào)控，可調(diào)控煤灰特性及提高氣化爐的轉(zhuǎn)化效率，從而增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。