織金礦區高階無煙煤對煤氣化技術的適用性分析

胥國領

(中國石化長城能源化工(貴州)有限公司，貴州 貴陽 550081)

我國的能源狀況是富煤貧油少氣[1]，2019年，煤炭消耗量占能源消費總量的57.7%，是我國主體能源。煤的性質因煤組成、成煤條件、煤階、硫含量、粒度千差萬別。煤氣化技術是煤炭清潔高效低碳轉化的龍頭，且氣化裝置投資在煤化工項目投資中比重較高。因此，根據煤質選擇可靠、經濟穩定的煤氣化技術是煤炭高效潔凈利用的關鍵。

1 織金礦區主采煤層煤質特征

織金礦區煤層賦存較穩定，以中灰、中高硫、特低磷、高發熱量高階無煙煤為主。主采煤層資源量約64億t，占總資源量的60.9%。勘探區內可采煤層水分1.29%～3.50%，平均2.83%，屬低水分煤；灰分17.22%～24.23%，平均20.47%，勘探區中北部、西部和東部煤炭為中高灰煤；揮發分6.24%～22.04%，平均9.56%，以低揮發分煤為主；硫分2.06%～3.97%，平均3.06%，區內以高硫煤為主；煤發熱量(Qgr，ad)在25.22～27.14 MJ/kg之間，平均26.25 MJ/kg；流動溫度平均1 370 ℃，哈氏可磨指數偏低。織金礦區主要勘探區煤質統計見表1。

表1 織金礦區主要勘探區煤層煤質

數據來源：織金礦區地質勘查資料。

2 主流煤氣化技術對原料煤煤質的要求

不同煤氣化技術各有特點，對煤質要求不盡相同，不存在適用于所有煤種的氣化技術。在選擇煤氣化技術時，首先要根據煤炭資源特點，綜合考慮煤質特征，如粒度、灰分、灰熔融性溫度及黏結指數等技術指標，選擇適宜的氣化技術。需要指出的是，技術適用性要高于技術先進性。

目前，按照入爐煤在爐中過程動態，主流煤氣化技術分為固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化。

2.1 固定床煤氣化技術

主要爐型有魯奇爐及其改進型BGL爐。該爐型設計操作壓力2.5～7.0 MPa，入爐煤粒度基本要求13 mm以上，通過煤鎖加煤，爐上不裝攪拌耙和布煤器，熔渣通過爐下部排渣口排出，采用加石灰控制灰渣黏度。該氣化爐要求入料煤粒組成均勻、穩定性高，對水分要求不嚴格[2]，魯奇氣化爐雖然具備冷煤氣效率高、氧耗低的優勢，從經濟性角度考慮，以粘結性不黏或弱黏原料煤為宜。對織金高階無煙煤，這種爐型不予考慮。該氣化技術對原料煤質要求見表2。

表2 固定床氣化爐煤質指標

2.2 流化床煤氣化技術

流化床氣化技術主要有溫克勒(Winkler)、高溫溫克勒(HTW)、U-Gas、恩德爐粉煤氣化等。該爐型操作溫度一般為850～1 100 ℃，適用于反應性好的褐煤及低階煙煤，對原煤灰分不敏感，可氣化30%～50%高灰煤，為經濟性運行，大部分采用灰分25%以下煤；水分為5%～10%，水分高的煤需要預先干燥；采用干法排渣，灰的軟化溫度要求高于1 250 ℃，因相對氣流速較高，導致煤氣帶灰嚴重，粒徑小于1 mm的煤粉全部溢出爐外，并且加熱過程中會出現結焦問題，比如U-Gas要求原料煤的粒度上限不超過6～10 mm。恩德爐、灰熔聚等流化床工藝氣化壓力低小于1 MPa，單爐生產能力小，氣化效率低，煤氣中塵含量高，灰渣中殘炭高，碳轉化率低，自動化程度低，致使不適合大型化裝置[6]。織金礦區勘查區煤灰軟化溫度在1 260～1 410 ℃，個別生產礦原煤高達1 500 ℃，并且煤反應活性較差，織金煤在該爐型低氣化溫度和低氣化壓力下，將會降低氣化效率，從而降低織金無煙煤利用價值，不建議采用。

2.3 氣流床煤氣化技術

該技術轉化效率最高，適用煤種比固定床和流化床范圍更廣泛。目前具有工業化的鍋爐有：水煤漿加壓氣化爐、Shell氣化爐、GSP氣化爐、HT-L航天爐、SE-東方爐、科林CCG氣化爐。

2.3.1 水煤漿氣化爐對煤質要求

目前工業應用較多的有GE水煤漿氣化爐、多噴嘴對置式水煤漿氣化爐和多元料漿氣化爐，這些氣化爐性能相當，運行指標類似。分析該爐型適用性主要參照發熱量、灰熔點、灰分、水分、揮發分、含碳量、可磨指數等指標。入爐原料煤種以中低變質程度煙煤為主，要求灰分低于13%；水煤漿濃度大于60%；內在水分小于8%；煤灰流動溫度低于1 350 ℃，一般控制低于1 300 ℃；哈氏可磨指數在50～60以上。該爐型均采用熔融液態排渣。

因織金礦區各勘查區煤炭平均HGI為44.5，可磨性差；流動溫度平均達到1 370 ℃，初步斷定礦區高階無煙煤不適用于水煤漿氣化爐。

2.3.2 粉煤加壓氣化爐對煤質要求

粉煤加壓氣化技術是干煤粉由氣化劑夾帶入爐，進行并流式燃燒和氣化反應(火焰反應)，反應溫度較高(1 300～1 600 ℃)，反應時間很短(1～10 s)，入爐煤粒度小于0.1 mm。煤種適應性強，除褐煤外均可氣化，但高灰熔點煤需要加入助熔劑。該爐采用膜式水冷壁結構，氣化爐及燒嘴使用壽命長。工藝指標先進，煤耗、氧耗低，氣化效率高，冷煤氣效率可達 80%～83%。工業運行的爐型主要有：廢鍋流程的Shell爐；激冷流程的GSP爐、HT-L航天爐、SE-東方爐、科林爐。

粉煤加壓氣化技術由于反應溫度高，能氣化反應活性差，灰熔點高的高階無煙煤。對入爐煤一般性要求為：灰分控制在12%～25%，灰熔點FT小于1 400 ℃，經干燥后水分小于2%，入爐煤粒度一般大于90 μm和小于5 μm的均控制在10%以下。主流工業化的粉煤加壓氣化爐及主要氣化參數匯總于表3。

表3 主要工業化粉煤加壓氣化爐煤質要求及主要氣化參數

對織金礦區勘查區內主要煤質指標是：灰分在17.22%～24.23%；水分為1.29%～3.50%；揮發分平均為9.56%；礦區各勘查區平均發熱量26.25 MJ/kg；平均硫分大于3%；煤灰熔融點多為1 260～1 410 ℃，少數為1 500 ℃；可磨指數HGI整體偏低，屬于典型“三高”無煙煤。

從織金礦區無煙煤的煤質指標上看，通過洗選和混配的方式可把入爐煤灰分控制在12%～25%，采用添加助熔劑可把灰熔點降低到1 400 ℃以下。由于貴州煤的活性差、高灰熔點、高灰分特性，氣化爐只能通過高達 1 500～1 650 ℃的溫度運行才能有效解決其排渣問題，因此燒嘴、水冷壁等關鍵裝備的耐高溫性能是確保實現貴州煤高效轉化的必要條件。綜上，按照煤種適應性原則，織金高階無煙煤適用于粉煤加壓氣化爐。

3 結 論

通過對主流煤氣化技術分析，粉煤加壓氣化技術在技術性能指標上優于固定床氣化技術、流

化床氣化技術，粉煤加壓氣化技術對織金礦區未來高階無煙煤清潔高效利用更為有利。考慮到織金礦區煤層狀況，首先應盡量選定單一、穩定的優質煤源；其次隨著礦區開發煤質變化，選擇配煤摻燒技術，將當地高灰、高硫、高灰熔點煤與其他原料煤混合，以減少入爐煤指標波動而造成停車情況；盡可能減少助熔劑石灰石使用量，以降低運行成本。