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煤炭基础知识煤炭的品种很多，按其在地下生成的时间的长短，大体可分为泥煤炭、褐煤炭、烟煤炭和无烟煤炭等，它们的煤炭化程度按上述次序依次增加。随着气化工艺选取的不同，其对煤炭品质的要求也不相同。首选煤炭种。高活性、高挥发分的烟煤炭是德士古水煤炭浆气化工艺的对原料煤炭的下述性能和参数应当重视： 总水分 总水分包括外水和内水。外水是煤炭颗粒表面附着的水分，来源于煤炭在煤炭层中附着的、人为喷洒和露天放置中的雨水，这部分水通过自然风干即可基本消除。外水对德士古煤炭气化没有影响，但如果波动太大对煤炭浆浓度有一定的影响，而且会增加运输成本，应尽量降低。内水是煤炭的结合水，以吸附态或化合态形式存在于煤炭中，煤炭的内水高同样会增加运输费用，但更重要的是内水是影响成浆性能的关键因素，内水越高成浆性能越差，制备的煤炭浆浓度越低，对气化有效气体含量、氧气消耗和高负荷运行不利。 挥发分及固定碳 煤炭化程度增加，则可挥发物减少，固定碳增加。固定碳与可挥发物之比称为燃料比，当煤炭化程度增加时，它也显著增加，因而成为显示煤炭炭分类及特性的一个参数。煤炭中挥发分高有利于煤炭的气化和碳转化率的提高，但是挥发分太高的煤炭种容易自燃，给储存煤炭带来一定麻烦。 煤炭的灰分及灰熔点灰分 灰分是指煤炭中所有可燃物质完全燃烧反应后，其中的矿物质在高温下分解、化合所形成的惰性残渣，是金属和非金属的氧化物和盐类（碳酸盐、硅铝酸盐、硅酸盐、硫酸盐等）的混合体。燃烧后实际测得的是煤炭灰的产率，而并非煤炭中真正的灰含量，在高温氧化还原气氛中煤炭中矿物质的存在形式已经发生了一系列的物理和化学变化。灰分虽然不直接参加气化反应，但却要消耗煤炭在氧化反应中所产生的反应热，用于灰分的升温、熔化及转化。灰分含有率越高，煤炭的总发热量就越低，浆化特性也多半较差。根据资料介绍，同样反应条件下，灰分含量每增加1%，氧耗约增加0.7%0.8%，煤炭耗约增加1.3%1.5%。灰熔点 煤炭灰的熔融性，习惯上用四个温度来衡量，即煤炭灰的初始变性温度（IT或T1）、软化温度（ST或T2）、半球温度（HT或T3）、流动温度（FT或T4）。煤炭的灰熔点一般是指流动温度，它的高低与灰的化学组成密切相关。由常规煤炭灰分析及表1可知，SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3组分约占灰分组成的90%95%左右，它们的含量相对变化对灰熔点影响极大，因此许多学者常用四元体系SiO2-Al2O3-CaO- Fe2O3来研究灰的黏温特性。表1 典型的灰渣组成 %（质量分数）组分 SiO2 Al2O3 TiO2 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O P2O3 SO3组成 3760 1633 0.91.9 425 315 1.22.9 0.33.6 0.21.9 0.12.4一般情况，灰分中氧化铁、氧化钙、氧化镁的含量越多，灰熔点越低；氧化硅、氧化铝含量越高，灰熔点愈高。但灰分不是以单独的物理混合形式存在，而是结晶成不同结构的混合物，结晶结构不同灰熔点差异很大（参见表2），不能以此作为唯一的判别标准。通常用式 1来粗略判断煤炭种灰分熔融的难易程度：酸碱比=（SiO2+ Al2O3）/（ Fe2O3+CaO+MgO） 1当比值处于15之间时为易熔，大于5时为难熔。表2 灰分中各种混合物的熔点成分 熔点/ 成分 熔点/ 成分 熔点/SiO2晶体 1723 3Al2O3 2SiO2 1850 CaO Al2O3 2SiO2 1553 Al2O3 2020 2FeO SiO2 1065 2CaO Al2O3 SiO2 1590CaO 2570 CaO SiO2 1544 2CaO FeO 2SiO2 1203 MgO 1380 CaO Al2O3 1605 CaO FeO SiO2 1208有些专家采用比值SiO/Al2O3和SiO2/（SiO2+Fe2O3+CaO+MgO）来研究灰分组成和灰分熔点的关系，指出前者比值不宜小于1.6、后者不宜大于0.9，否则就需要添加Fe2O3或CaO，或者掺混其他煤炭种来调整灰分的组成以利于熔融排渣。灰渣黏温特性 灰渣黏温特性是指熔融灰渣的黏度与温度的关系。熔融灰渣的黏度是熔渣的物理特性，一旦煤炭种的（灰分组成）确定，它只与实际操作的温度有关。熔渣在气化炉内主要受自身的重力作用向下流动，同时流动的气流也向其施加一部分作用力，熔渣的流动特性可能是牛顿流体、也可能是非牛顿流体，这主要取决于煤炭种和操作温度的高低。为了顺畅排渣，专家认为熔渣行为处于牛顿流体范围内操作气化炉比较合适，一旦进入非牛顿流体范围区气化炉内容易结渣，并引入了临界温度的概念，即渣的黏度开始变为非牛顿流体特性时对应的温度，以此作为操作温度的下界。煤炭种不同，渣的黏温特性差异很大，有的煤炭种在一定温度变化范围内其灰渣的黏度变化不大，也即对应的气体操作范围宽，当操作温度偏离最佳值时，对气化运行影响不大；有的煤炭种当温度稍有变化时其灰渣的黏度变化比较剧烈，操作中应予以特别注意，以防低温下渣流不畅发生堵塞。可见，熔渣黏度对温度变化不是十分敏感的煤炭种有利于气化操作。水煤炭浆气化采用液态排渣，操作温度升高，灰渣黏度降低，有利于灰渣的流动，但灰渣黏度太低，炉砖侵蚀剥落较快。根据有些厂家的经验，当操作温度在1400以上每增加20，耐火砖熔蚀速率将增加一倍。温度偏低时灰渣黏度升高，渣流动不畅，容易堵塞渣口。只有在最佳黏度范围内操作才能在炉砖表面形成一定厚度的灰渣保护层，既延长了炉砖寿命又不致堵塞渣口。液态排渣的气化炉最佳操作温度视灰渣的黏温特性而定，一般推荐高于煤炭灰熔点3050。最佳灰渣流动黏度对应的温度为最佳操作温度，大多研究机构认为最佳黏度应控制在1540Pa?S之间。助熔剂 由于材料耐热能力的限制，对灰熔点高于1400的煤炭如果还要采用熔渣炉气化，应当使用助熔剂，以降低煤炭的灰熔点。根据煤炭质中矿物质对灰熔点的影响的有关研究表明，添加适当助熔剂降低前面计算式1的酸碱比，可有效降低灰熔点。助熔剂的种类及用量要根据煤炭种的特性确定，一般选用石灰石或氧化铁作为助熔剂。石灰石及氧化铁特别适宜作助熔剂的原因在于，它们是煤炭的常规矿物成分，几乎对气化系统没有影响，流动性与一般的水煤炭浆相同，加入后又能有效地改变熔渣的矿物组成，降低灰熔点和黏度。视煤炭种的不同，氧化钙的最佳加入量约为灰分总量的2025%，氧化铁为15%左右即可对灰熔点降低起到明显作用。但助熔剂的加入量过大也会适得其反，另外灰渣成分不同对砖的侵蚀速率也会不同，因此还应根据灰渣的组成和向火面耐火材料的构成合理选择助熔剂。加入助熔剂后气化温度的降低将使单位产气量和冷煤炭气效率提高、氧耗明显降低，但同时也会使碳转化率稍有降低、排渣量加大，过量加入石灰石还会使系统结垢加剧。在选择煤炭种时，宜选择灰熔点较低的煤炭种，这可有效地降低操作温度，延长炉砖的使用寿命，同时可降低氧耗、煤炭耗和助熔剂消耗。 发热量 煤炭的发热量即热值，是煤炭的主要性能指标之一，其值与煤炭的可燃组分有关，热值越高每千克煤炭产有效气量就越大，要产相同数量的有效气煤炭耗量就越低。 元素分析 煤炭中有机质主要由碳、氢、氧、氮、硫五种元素构成，碳是其中的主要的元素。煤炭中的含碳量随煤炭化程度增加而增加。年轻的褐煤炭含碳量低，烟煤炭次之，无烟煤炭最高。氢和氧含量随煤炭化程度加深而减少，褐煤炭最高，无烟煤炭最低。氮在煤炭中的含量变化不大，硫则随成煤炭植物的品种和成煤炭条件的不同而有较大变化，与煤炭化程度关系不大。气化用煤炭希望有效元素碳和氢的含量越高越好，其它元素含量越低越好。 氧含量 一般在10%左右，对气化过程没有副作用。硫含量 煤炭中硫组分除少量不可燃硫随渣排出外，大部分在气化反应中生成硫化氢和微量硫氧化碳，其中硫化氢会对设备和管道产生腐蚀。已有用户使用过含硫量达5%的煤炭种，发现对气化装置影响不大。煤炭中含硫量的多少对后续的酸性气体的脱除和硫回收装置影响也较大，因此要求煤炭中的可燃硫含量要相对稳定，以使选择正确的脱硫方法。气化选择煤炭种可采用高硫煤炭，因为新一代煤炭化工过程都己经将硫化物脱净並回收成硫磺(目前我国每年进口几百万吨硫磺)，一方面变成财富，另一方面是改善环境。氮含量 煤炭中的氮含量决定着煤炭气中的氮含量和冷凝液的pH值，冷凝液中氨含量高，pH值高可减轻腐蚀作用。但生成过多的氨在低温下会与二氧化碳反应而形成堵塞引起故障，同时pH值的升高，极易引起碳酸钙结垢，因此应正确考虑氮含量的影响，以利于合理选择设备材质、平衡系统水量。煤炭中氮含量达到10%时生产中已证实不是大问题。砷含量 我国对188个煤炭样抽查结果显示煤炭中砷含量在0.510-617610-6之间，虽然含量不高，随煤炭种变化差异很大，但砷可以以挥发态单质转化到粗煤炭气中，进入催化剂床层后与活性组分Co、Mo形成比较稳定的化合物，从而使催化剂失去活性，造成不可恢复的慢性中毒。研究表明当变换催化剂中砷含量达到0.06%时，其反应活性即开始下降，达到0.1%时基本失去活性。砷也是合成甲醇催化剂(铜催化剂)的毒物，而且十分敏感。因此煤炭中的砷含量越低越好。如果煤炭含砷高的话，净化工序中应当增加催化脱砷手段。氯含量 气化反应后氯有一部分可叹随固体渣排出装置，另一部分溶滞于工艺循环水中，当氯含量过高时会对设备和管道造成腐蚀，特别是对于不锈钢材质，工艺运行中应予以适当控制。一般气化循环灰水中氯离子浓度控制在12010-6 15010-6之间。如果氯化物进入合成气中，它会使合成甲醇催化剂中毒，所以应当重视。可磨指数 一般多用哈氏可磨指数（Hardgrove Index，简写HGI）表达煤炭的可磨性，它是指煤炭样与美国一种粉碎性为100的标准煤炭进行比较现时得到的相对粉碎性数值，指数越高反映出煤炭种越容易被粉碎。煤炭的可磨指数决定于煤炭的岩相组成，矿质含量、矿质分布及煤炭的变质程度。易于粉碎的煤炭容易制成浆，可以节省磨煤炭机功耗，一般要求煤炭种的哈氏可磨指数在5060以上。煤炭的化学活性 煤炭的化学活性指煤炭在一定温度下与二氧化碳、水蒸汽或氧反应的能力。我国采用二氧化碳介质与煤炭进行反应来测定二氧化碳被还原成一氧化碳的能力，还原率越高，活性越大，煤炭的反应能力越强。它与煤炭的炭化程度、灰分组成、粒度大小以及反应温度等因素有关，反应活性高有利于气体质量、产气率和碳转化率的提高。综上所述，从技术角度来看，水煤炭浆加压气化技术可以适用于大多数褐煤炭、烟煤炭及无烟煤炭的气化，但从经济运行角度来看，在筛选煤炭种时可叹将以下指标作为参照进行比较：煤炭种的内在水以不大于8%为宜、灰分宜小于10%15%；灰熔点以小于13001350的煤炭种为佳；但灰熔点太低对气化采用废锅流程的不利，易使废锅结焦或积灰；发热量参考指标为25MJ/kg 越高越好；尽可能选择煤炭中有害物质少、可磨性好、灰渣黏温特性好的煤炭种；尽可能选择服务年限长、储量大、地质条件相对好、煤炭层厚的矿点，以保证供煤炭质量的稳定。煤炭的水分、灰分、挥发分构成煤炭炭有机质的元素主要有碳、氢、氧、氮和硫等，此外，还有极少量的磷、氟、氯和砷等元素。碳、氢、氧是煤炭炭有机质的主体，占95以上；煤炭化程度越深，碳的含量越高，氢和氧的含量越低。碳和氢是煤炭炭燃烧过程中产生热量的元素，氧是助燃元素。煤炭炭燃烧时，氮不产生热量，在高温下转变成氮氧化合物和氨，以游离状态析出。硫、磷、氟、氯和砷等是煤炭炭中的有害成分，其中以硫最为重要。煤炭炭燃烧时绝大部分的硫被氧化成二氧化硫（SO2），随烟气排放，污染大气，危害动、植物生长及人类健康，腐蚀金属设备；当含硫多的煤炭用于冶金炼焦时，还影响焦炭和钢铁的质量。所以，“硫分”含量是评价煤炭质的重要指标之一。煤炭中的有机质在一定温度和条件下，受热分解后产生的可燃性气体，被称为“挥发分”，它是由各种碳氢化合物、氢气、一氧化碳等化合物组成的混合气体。挥发分也是主要的煤炭质指标，在确定煤炭炭的加工利用途径和工艺条件时，挥发分有重要的参考作用。煤炭化程度低的煤炭，挥发分较多。如果燃烧条件不适当，挥发分高的煤炭燃烧时易产生未燃尽的碳粒，俗称“黑烟”；并产生更多的一氧化碳、多环芳烃类、醛类等污染物，热效率降低。因此，要根据煤炭的挥发分选择适当的燃烧条件和设备。煤炭中的无机物质含量很少，主要有水分和矿物质，它们的存在降低了煤炭的质量和利用价值。矿物质是煤炭炭的主要杂质，如硫化物、硫酸