晋城煤气化技术的适应性分析.docx

? ? 晋城煤气化技术的适应性分析 ? ? 杨 友，何 俊，李 猛 (河南晋开化工投资控股集团有限责任公司，河南 开封 475002) 0 引 言 山西省晋城市地处“沁水煤田”南端，是我国优质无烟煤基地[1]，晋城全市含煤面积5 350 km2，总储量808×108t，其中已探明储量271×108t，占全国无烟煤总量的1/4强，占山西省无烟煤总量的1/2强，年产原煤达75 Mt。 晋城煤具有热稳定性好、固定碳含量高、发热量大等优点，长期以来在固定床间歇气化工艺中得到广泛应用，市场占有率达80%以上，但随着现代大型煤气化装置的不断发展与创新，水煤浆气化和干煤粉气化为代表的气流床气化工艺成为主流，固定床间歇气化工艺逐渐被取代，加之国家产业结构调整、清洁生产和环境治理等政策趋紧，固定床间歇气化装置面临淘汰或改造，作为固定床间歇气化工艺的主要原料，晋城煤销售市场逐渐萎缩；但晋城矿区是我国优质无烟煤生产基地，具有完备的煤炭生产管理和质量保障体系，能够保证原煤煤质稳定。因此，对晋城煤气化技术进行适应性分析，不仅可为煤化工企业生产系统的改造升级与原料选择提供一些参考与借鉴，而且可为晋城煤在新时期的煤气化应用找到一条路子。 1 晋城煤煤质特征 1.1 煤质特征[2-3] 晋城煤固定碳含量高、挥发分含量低、灰熔点高，随着优质煤炭资源的枯竭，目前晋城煤逐渐向9#、15#煤煤质特征过渡，9#、15#煤煤质分析数据见表1。9#、15#煤为中-高灰、中-富硫、高发热量无烟煤，其基本煤质特征是：灰分高，普遍在22%～40%(质量分数，下同)；硫含量高，是其他无烟煤的1.5～9.0倍，普遍在2.0%～4.5%；灰熔融性温度(FT)高，高于1 500 ℃。可见，目前晋城煤总体表现出灰分高、硫含量高、灰熔点高的“三高”特征。 物理性质方面，晋城煤具有硬度大、哈氏可磨性指数(HGI)低的特点。目前，水煤浆加压气化工艺要求粉煤粒度小于200目的占70%以上、干煤粉加压气化工艺要求粉煤粒度小于200目的占90%以上，而晋城煤硬度大、哈氏可磨性指数(HGI)小于50，会造成磨煤设备磨损严重以及煤粉在磨煤单元停留时间长、设备出力小、能耗高。 表1 晋城矿区9#、15#煤煤质分析数据 生产运行方面，密度和硬度较大的晋城煤粉对输送管线、设备的磨损程度较其他煤种严重。 灰分组成方面，晋城煤灰成分中的A12O3含量高达30%以上，SiO2含量也超过40%，造成其灰熔点高(如表2)，煤灰高温流动性差。 表2 几种晋城煤的灰熔点 ℃ 1.2 动力学特征 煤炭在氧气、蒸汽等气化剂存在的条件下反应生成粗煤气的过程，是表面反应过程，理论上包括气化剂向煤表面扩散、煤中可燃组分与气化剂反应、反应产物向外扩散等过程。在气化炉内高温环境中，变质程度较低的煤种，煤中小分子物质的析出(100～450 ℃)、煤中碳的燃烧和气化(550～1 200 ℃)、煤中矿物质的熔化与反应(500 ℃以上)三部分物质质量比为(2.5～3.0)∶(4.5～6.5)∶(0.5～2.5)，由于高温环境和较短的停留时间，前两步反应的叠加为后续反应创造了较好的内扩散条件，在相同外扩散条件下，促进了低变质程度煤的燃烧或气化反应。 晋城煤属于高阶煤，煤的变质程度很高，挥发分低(普遍在10%以下)、固定碳含量高(普遍在80%以上)，在相同的外扩散条件下表现为小分子有机物难析出或析出比例小，后续碳的气化内扩散条件不及低变质程度的煤种，要求有较长的反应时间以达到相应的碳转化率。在热重分析中，晋城煤的着火温度、燃烬温度、燃烧反应活化能等指标均高于褐煤、烟煤，晋城煤放热强度、半峰宽和总放热量均大于褐煤、烟煤。 基于晋城煤的动力学特征，在工业上的应用晋城煤需较高的燃烧温度和较长的停留时间，配套工艺方面需有相应的强化和保障措施，同时应考虑热量的转换和回收利用。 1.3 气化特征 由于晋城煤具有上述煤质特征和动力学特征，在气化过程中表现出热稳定性好、放热量大、产气量大、燃烧时间长，在固定床间歇气化工艺、固定床连续气化工艺中具有竞争优势。 在干煤粉气化工艺中，晋城煤相应的配煤、磨煤、煤粉干燥与输送、气化、渣水处理等设备配套均比低变质煤种高。其中，配煤单元应具备两种或两种以上调整晋城煤煤质的装置，或通过配煤、或通过添加碱金属或碱土金属矿物质以改变煤质和煤灰组分；磨煤单元应采用钢球磨或其他磨制能力强、耐磨性好、出力大的装置；煤粉采用高压密相输送，需充分考虑输送管道的密封性和耐磨性；气化单元要求煤粉在气化炉内有较长的停留时间和较高的反应温度，且流场分布合理，设备局部需考虑耐磨和耐温措施；渣水处理单元，有条件的情况下应回收粗煤气显热，采用多级闪蒸回收灰水热量、降低灰水温度，以提高气化装置整体运行效能。 在水煤浆气化工艺中，由于晋城煤煤粉自身成浆性