煤種、煤質對氣化的影響

陳朝南

（中海油惠州石化有限公司，廣東惠州 516086）

煤氣化生產是借助于煤、氣化劑通過多種反應后實現的有機物轉化過程。在這個過程中，能夠實得到一氧化碳、二氧化碳、甲烷與氫氣等多種產物。目前，從世界范圍上來看，煤炭資源儲量豐富的國家有很多，借助于氣化處理模式，不但可以獲得更為清潔的能源，同時也有利于解決區域經濟模式與能源模式結構不協調的問題。針對我國這樣多煤少油的國家，采用煤氣化生產技術更能夠適應社會發展的客觀需求。新型煤氣化生產模式相比于傳統模式更適應行業發展需求，但是其對于煤質、煤種卻具有一定的技術標準要求，現就煤種、煤質對煤氣化生產技術的影響特征進行分析。

1 煤種對氣化生產的影響

煤種對氣化生產會產生各種復雜的影響，主要體現在熱值、組分以及消耗指標等具體方面。

1.1 煤種對組分、熱值的影響

不同類型的煤種在煤氣化過程中會對產物的熱值、產率產生不小的影響。根據一般生產經驗，煤階較低時，煤氣中的甲烷、二氧化碳含量相對比較高，而一氧化碳則較低，此時根據熱值分別進行排位，劃分為褐煤、煙煤與無煙煤。根據煤化程度來進行劃分的煤種，揮發分較高時，熱解煤的產率也會相應地增加，熱解煤當中的甲烷含量會隨之增加。在降低化學活性時，氣化反應的溫度也會隨之發生變化，向著有利于甲烷生產的方向發展，煤種對高溫火焰區溫度的影響如圖1。

圖1 煤種對高溫火焰區溫度的影響

大多數情況下，煤氣產率會隨著煤氣化水平發生變化，揮發分較低的時候，會導致轉變為焦油有機物的產品增加，此時揮發分會下降，轉化為有機物的數量降低，生成的煤氣量增加。如果煤化程度進一步加強，則會導致二氧化碳的含量下降，此時脫除二氧化碳后的煤氣產率會相應地增加。

1.2 煤種對消耗指標的影響

煤種的選擇也會對各種消耗指標產生影響。根據煤氣化生產的化學過程特征來看，其本身屬于吸熱反應，隨著煤質的變化，會出現固定碳含量的波動，此時相應的煤氣化過程中的水蒸氣、氧氣需求也會相應地增加。根據這個特征來看，一些煤種反應過程中更容易放熱，利于正反應的進行，通過降低氧氣消耗量的方式來實現成本控制以及經濟效益的提升。

2 煤質對氣化生產的影響

2.1 粒徑對氣化生產的影響

一般來說，氣化爐的設計往往需要與不同類型的煤質相互匹配，所以氣化爐對于原煤的粒徑會存在一定的要求。比如說常規移動氣化爐對于粒徑的要求為10～100mm，這些煤塊相對更為均勻，而流化床氣化爐生產過程中則要求顆粒更小的細煤，氣流床應該控制在0.1mm左右。粒徑越小，煤的比表面積就越高，反應介質接觸面積也會相應的增加。另外，吸附與擴散的速度也會相應的增加，導致氣化反應的速率增加。在粒徑相對較小的情況下，氣化床的床層阻力會發生變化，這不利于單爐生產能力的提升。另外，還會導致水蒸氣的消耗量增加。煤的粒徑較大，傳熱的效率會降低，此時煤的內外溫差會增加，在有效的時間內不會完全氣化，導致氣化過程發生疊加現象，此時碳含量還會進一步增加，導致產品的轉化率下降。粒徑分布對于產物也會產生影響，如果存在粒徑分布的范圍寬泛的情況，則容易出現風洞、偏析等問題，這些問題一旦出現會顯著削弱氣化強度，進而導致氣流帶出大量的小煤粒。

2.2 含水量對氣化生產的影響

一般來說，要求煤種含水量要盡可能小，這樣一來就可以避免水分加熱處理過程中帶走大量的熱量，同時也會增加氧氣的消耗量，增加生產的成本。但是，考慮到生產過程中也存在一些特殊情況的煤，這些煤的熱穩定性較差，加熱處理后容易出現煤氣攜帶粉塵的問題，所以一定比例的含水量也是必不可少的。根據生產實踐的經驗來看，含水量控制在3%～5%能夠有效提升生產效率，同時避免煤氣攜帶粉塵的問題，使得煤具有良好的流動狀態。

2.3 灰分對氣化生產的影響

灰分對于氣化生產具有阻礙作用。根據生產原理來看，灰分含量較高，會導致氣化劑與原料的接觸面積下降，從而出現氣化速率下降的問題。排出爐外的部分與殘碳量密切相關，氣化效率與凈煤氣的產率有關。除此之外，煤種的灰分含量較高，會導致氣化爐、排灰系統發生磨損與消耗，這會導致設備無法實現原先的設計壽命，提前損壞或者報廢。根據研究表明，灰分當中的金屬氧化物對于氧化反應的催化劑也會產生影響，氧化劑的含量較高，催化的整體性能也會更為突出，其中起到主要催化作用的材料是堿金屬與堿土金屬。

2.4 硫分對氣化生產的影響

氣化生產中，煤種絕大多數的硫都會成為硫化氫氣體進入煤氣中。所以，氣化生產產物的硫化氫含量往往與原材料的含硫量相關聯。較高的硫化氫含量會導致生產過程中污染處理的成本快速增加，同時也會存在催化劑中毒失效的風險，甚至會導致管道腐蝕，帶來嚴重的生產安全問題。由此可見，含硫比例對于氣化生產也會產生不小的影響。

2.5 灰熔點對氣化生產的影響

灰熔點又稱為灰燒融性，一般是指煤灰當中酸性成分含量的影響，隨著灰熔點的增加，其會導致煤氣化生產過程中更容易出現結渣的問題，進而導致煤氣整體質量下降。針對灰熔點較高的煤，采取較高氣化溫度來進行處理，能夠提升反應的效率并控制水蒸氣的消耗量。相對的，較低灰熔點的煤，則需要添加更多的水蒸氣來滿足生產過程的控制需求。

2.6 黏結性對氣化生產的影響

黏結性主要對生產過程中的氣流分布產生影響，如果黏結性較強，那么意味著更容易出現大塊結合的問題，導致分工不均勻，工況更容易出現風險。如果黏結性適中，則在滿足基本生產要求的同時降低工藝設計的要求。

2.7 化學活性對氣化生產的影響

化學反應活性是指煤炭在不同條件下的化學反應能力。根據實際的實驗經驗來看，褐煤的化學活性最高，無煙煤的最小。化學反應活性與氣化處理溫度和原材料的消耗量相關，氣化反應的速度快，可以在更短的時間內達到平衡，也更容易滿足氣化強度設計要求。

2.8 機械強度與氣化生產的影響

機械強度對于氣化生產也會產生影響。大多數情況下，高階煤的機械強度更高，而中等煤化水平的焦煤往往機械強度較小。機械強度的影響主要體現在抗碎能力方面，是否更容易被粉碎成粉末，這也會影響煤氣化生產過程中的損失量。另外，較強的機械性能可能存在導致氣化爐操作異常問題，這也不利于后期設備的維修與養護。

3 結語

綜上所述，煤氣化生產對于煤質煤種具有不同的要求，但是這并不意味著較劣質的煤炭原材料無法參與生產，通過科學的技術調整，往往可以匹配不同類型的煤質與煤種原材料，在實現經濟協調與統籌的基礎上，促進煤氣化生產的過程，從而實現經濟效益、社會效益的雙豐收，為實現我國能源結構化調整做出積極的貢獻。