樊廣燕 ， 王國(guó)奪 ， 蔡云云 ， 劉澤龐 ， 朱麗萍

(河南晉開化工投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司 ， 河南 開封 475003)

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“三高”煤用于航天爐加壓煤氣化降低灰熔點(diǎn)的研究

樊廣燕 ， 王國(guó)奪 ， 蔡云云 ， 劉澤龐 ， 朱麗萍

(河南晉開化工投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司 ， 河南 開封 475003)

大型煤氣化技術(shù)是煤炭清潔利用、高效轉(zhuǎn)化的核心技術(shù)，經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定的煤氣化技術(shù)對(duì)煤化工企業(yè)的生產(chǎn)、發(fā)展至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)晉城“三高”煤(高硫、高灰、高灰熔點(diǎn))的煤質(zhì)特性進(jìn)行分析，采用配煤方式降低煤的高灰熔點(diǎn)特性，通過(guò)添加石灰石，降低灰熔點(diǎn)和改善黏溫特性。研究表明：添加2%的石灰石能夠滿足大型煤氣化航天爐排渣要求。

航天爐 ； “三高”煤 ； 石灰石 ； 灰熔點(diǎn) ； 黏溫特性

0 引言

“三高”煤是指高硫、高灰、高灰熔點(diǎn)的煤炭，“三高”煤的清潔綜合利用符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策，是我國(guó)煤化工發(fā)展的方向。

河南晉開化工投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司是山西晉煤集團(tuán)的控股子公司，晉煤集團(tuán)擁有豐富的“三高”煤資源，據(jù)估算，“三高”煤儲(chǔ)量高達(dá)120億t，占總可采儲(chǔ)量的40%[1]。因此，發(fā)展“三高”煤的潔凈化利用具有廣闊的前景。實(shí)現(xiàn)“三高”煤的高效、潔凈化利用不但可以解決生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，還可以減少我國(guó)能源壓力，又能提升企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力。為了“三高”煤的潔凈化生產(chǎn)利用，尋求先進(jìn)的、合理的煤氣化技術(shù)成為大家最關(guān)注的問(wèn)題[2]。加壓氣流床氣化易于大規(guī)?；?，代表了當(dāng)今氣化的發(fā)展方向[3]。航天粉煤加壓氣化技術(shù)作為氣流床氣化技術(shù)中的一種，有著技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能環(huán)保、煤種適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，是“三高”煤作為原料的首選煤氣化技術(shù)。

1 大型航天爐粉煤加壓技術(shù)

大型航天爐(HT-L)粉煤加壓氣化技術(shù)是北京航天長(zhǎng)征化學(xué)工程股份有限公司(簡(jiǎn)稱“航天工程公司”)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的粉煤加壓氣化技術(shù)，該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于煤制合成氨、甲醇、烯烴、乙二醇、天然氣、油、氫等，整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)發(fā)電以及多聯(lián)產(chǎn)等多個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域[4]。

HT-L粉煤氣化技術(shù)工藝原理為原料煤經(jīng)過(guò)磨煤、干燥后，用N2進(jìn)行加壓輸送，將粉煤輸送到氣化爐燒嘴。干煤粉(80 ℃)、純氧氣(200 ℃)、過(guò)熱蒸汽(420 ℃)一同進(jìn)入氣化爐氣化室，瞬間發(fā)生升溫、揮發(fā)分裂解、燃燒及氧化還原等物理和化學(xué)過(guò)程。生成的1 400～1 600 ℃的合成氣經(jīng)過(guò)換熱、冷卻后，出氣化爐的溫度為210～220 ℃，再經(jīng)過(guò)文丘里洗滌器增濕、洗滌，和洗滌塔進(jìn)一步降溫、洗滌，產(chǎn)出溫度約204 ℃、粉塵含量<10×10-6的粗合成氣。HT-L粉煤氣化爐為航天粉煤加壓氣化裝置核心、關(guān)鍵專利設(shè)備。粉煤、氧氣、蒸汽按一定比例通過(guò)燃燒器進(jìn)入氣化爐，在氣化室中進(jìn)行燃燒氣化反應(yīng)，生成的含有高溫熔渣的粗合成氣，一部分高溫熔渣掛在復(fù)合水冷壁上，形成穩(wěn)定的抵抗高溫的渣層，其余熔渣和粗合成氣進(jìn)入激冷室。粗合成氣在激冷室中被激冷水激冷降溫，并蒸發(fā)水蒸氣到飽和，同時(shí)熔渣迅速固化，通過(guò)分離裝置實(shí)現(xiàn)合成氣、液態(tài)水、固渣的分離。合成氣通過(guò)管口輸出進(jìn)入后續(xù)工段，主要成分為一氧化碳和氫氣。固渣通過(guò)排渣口進(jìn)入破渣機(jī)中，并斷續(xù)排出。含有細(xì)灰的黑水通過(guò)管口進(jìn)入渣水處理系統(tǒng)。

2 降低“三高”煤灰熔點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)研究

“三高”煤煤灰的熔融溫度 FT(流動(dòng)溫度)>1 500 ℃，而粉煤氣流床氣化溫度為1 500 ℃左右，為了適應(yīng)氣化爐的操作溫度，通過(guò)選用合適的助熔劑來(lái)改變煤炭灰渣的熔融特性[5]，使其煤灰的熔融溫度FT降到1 400 ℃以下，達(dá)到航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)的排渣要求。為了能夠順利排渣，氣化爐的操作溫度要高于進(jìn)料煤的煤灰熔融溫度FT50～100 ℃[2]。“三高”煤由于其高灰熔點(diǎn)限制了其煤氣化應(yīng)用的發(fā)展，尋找一種能夠改變煤灰熔融特性的助熔添加劑就很有必要，工業(yè)上常采用添加石灰石作為助溶劑來(lái)降低煤灰熔融溫度[6-7]。因此，選用晉城礦區(qū)趙莊礦“三高”煤作為原料煤，石灰石作為助熔劑，對(duì)灰熔點(diǎn)的變化進(jìn)行研究。晉城礦區(qū)趙莊礦“三高”煤的煤質(zhì)分析結(jié)果見表1，趙莊3#煤樣灰成分見表2。

表1 趙莊“三高”煤的煤質(zhì)分析

注：DT，變形溫度；ST，軟化溫度；HT，半球溫度；FT，流動(dòng)溫度。

表2 趙莊3#煤樣灰成分表

從表1、2可以看出，晉煤集團(tuán)趙莊煤的固定碳含量高，水分和揮發(fā)分很低，灰分略高，煤的發(fā)熱量也較高，可磨性較好，但是煤灰熔點(diǎn)較高，流動(dòng)溫度大于1 511 ℃，熔渣的黏度較大，且臨界溫度很高，約為1 610 ℃，這是由于煤灰主要組成為氧化硅和氧化鋁，兩者總和約85%，氧化鈣和氧化鐵含量較低，總和約為8%，若將其煤用于航天粉煤加壓氣化爐，需要通過(guò)添加助溶劑的方法降低其灰熔點(diǎn)，以滿足航天爐的需要。

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備

KER-100A制樣機(jī)、101-2EBS干燥箱、KER-1箱式高溫爐、FA2004N天平、DTG-60同步熱分析儀、SDTGA5000工業(yè)分析儀、TQ-3碳?xì)湓胤治鰞x、高溫黏度儀等。

2.2 實(shí)驗(yàn)部分

煤灰熔點(diǎn)(煤灰熔融性)測(cè)定常用的方法是角錐法，本研究依據(jù)該方法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 219-1996 進(jìn)行測(cè)定。

3 結(jié)果與討論

3.1 助溶劑對(duì)煤灰熔融溫度的影響

選取趙莊3#煤樣品，煤樣制備使用小型制樣機(jī)磨制，經(jīng)篩分后粒度<150 μm(100目)，然后依次加入1%、2%、3%、4%石灰石(主要成分為CaCO3)，分別測(cè)定對(duì)應(yīng)的灰熔點(diǎn)，測(cè)定結(jié)果如圖1所示。

圖1 助溶劑對(duì)煤灰熔融溫度的影響

從圖1中可以看出，加入石灰石的煤樣，其熔融溫度呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)镃aCO3在一定溫度下受熱分解，增加了煤樣中的CaO含量。而CaO與灰樣中的SiO2反應(yīng)生成低溫共熔物(硅酸鹽)，從而降低了煤灰熔融特性的溫度[8]。但是當(dāng)助溶劑的量增加到4%時(shí)，游離于低溫共熔物外的CaO作為氧化劑，在破壞硅聚合物的同時(shí)，又形成了高熔點(diǎn)的硅酸鈣(CaSiO3)、假硅灰石(CaO·2SiO2)等，致使體系熔融溫度上升[9]。

3.2 助溶劑對(duì)煤灰渣黏溫特性的影響

考察趙莊原煤與添加3%石灰石的趙莊原煤后的灰渣黏溫特性，見圖2。

圖2 助溶劑對(duì)趙莊3#煤的灰渣黏溫曲線圖

從圖2可看出，趙莊原煤灰渣屬于結(jié)晶渣，其臨界溫度為1 610 ℃，所對(duì)應(yīng)的臨界黏度為35 Pa·s，隨著溫度的降低，熔渣黏度迅速增大，且趨勢(shì)很陡，不可能滿足液態(tài)排渣的要求。當(dāng)在趙莊原煤中添加3%的石灰石時(shí)，灰渣呈塑性渣，整體黏溫曲線向左

(低溫區(qū))偏移，其臨界溫度下降至1 450 ℃，所對(duì)應(yīng)的臨界黏度為25Pa·s，黏度趨勢(shì)變緩。隨著溫度的升高，黏度下降，滿足航天爐排渣要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)晉煤集團(tuán)趙莊礦3#原煤灰熔點(diǎn)的研究，確定添加3%的助熔劑，提高煤灰中的氧化鈣含量，使其溫度降到1 450 ℃以下，黏溫曲線呈現(xiàn)塑性渣特點(diǎn)，黏度趨勢(shì)變緩，臨界黏度溫度降低，因此添加3%的石灰石滿足航天爐排渣要求。

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2016-07-20

樊廣燕(1987-)，女，助理工程師，從事化工生產(chǎn)與管理工作，電話：15037816943。

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