水煤浆气化用煤要求及煤种选择与采样程序.doc

水煤浆气化用煤要求及煤种选择与采样程序张华新 刘汉勇(山东华鲁恒升集团有限公司，山东 德州 253024) 2002-12-16 煤气化对原料煤的要求较高，即一种气化工艺，适用于一定的煤种。例如，固定床气化制氨，原料以无烟块煤为主，液态排渣的粉煤炉要求用挥发分较高、灰熔点较低的气肥煤等。因而，煤种的选择和煤种采样的代表性十分关键，许多煤气化工艺的化工企业，由于选择原料不当，严重地影响了生产的正常进行。 作为第二代煤气化技术的水煤浆气化工艺对原料煤的要求也很严格，在煤种的选择和取样上有一定的程序和方法。1 煤质调查分析的程序 煤种调查分析程序一般分为：煤矿普查。根据装置所处的地理位置和交通情况及煤质要求，由近及远有目标的选择煤矿。首先选择生产烟煤的煤矿，再考虑煤矿的煤炭品质。煤质调研。通过不同的信息渠道宏观了解不同的煤质情况。搜集煤矿的生产、供应、经营等情况。根据搜集的煤质数据和气化煤质要求，确定拟选择的煤矿。确定候选煤矿。在满足气化生产煤质要求的条件下，根据不同煤矿的煤炭储量、可开采时间、生产规模、质量保证、煤价(指到厂煤价)等情况，综合考虑确定候选煤矿。煤种取样。气化煤种取样可直接在选定的煤矿、选定煤层(或开采面)、煤质能基本达到气体煤质要求的商品煤堆上进行取样。2 水煤浆气化工艺对原料煤的要求 水煤浆气化炉工艺原则上在高于灰熔点50100以上的温度下操作，以便于顺利排渣，根据德士古水煤浆气化厂的生产经验，水煤浆加压气化用煤选择原则应以煤的“气化性能及稳定运行性能”为主。 2.1 煤的灰分含量 灰分是煤中的无用形式成分，为使其能顺利地以液态形式排出水煤浆气化炉，必须将温度升至其灰熔点以上，无谓的增加了氧气消耗。有资料表明，在同样的气化反应条件下，灰分每增加 1，氧耗增加0.70.8，煤耗增大1.31.5；其次灰分增加，使烧嘴和耐火砖的磨损加剧，寿命大大缩短，同时灰、黑水中的固含量升高，系统管道、阀门、设备的磨损率大大加剧，设备故障率提高。灰分含量高对成浆性能也有一定的影响，除使煤浆的有效成分降低之外，还使煤质的均匀性变差，消弱了煤浆分散剂的分散性能，在相同的情况下，对提高煤浆浓度不利。建议所选煤样的灰渣干基含量不高于13。 2.2 煤的最高内水含量 煤的内水含量对气化过程的主要影响表现在对成浆性能的影响，一般认为煤的内水含量越高，煤中的OC越高，含氧官能团和亲水官能团越多，空隙率越发达，煤的制浆难度越大。煤质对成浆性能的影响是多方面的，各影响因素之间密切相关。煤的内在水含量越高时所制得的煤浆浓度越低，而且使添加剂的消耗、煤耗、氧耗均有一定的增加，综合技术与经济2方面考虑，水煤浆加压气化原料用煤的最高内在水含量以小于8为宜。2.3 煤渣的熔融特性 煤灰的熔融特性是煤的灰熔点(还原条件下)，煤的灰熔点以低于反应温度50100为宜(熔融温度T3)。若煤的灰熔点提高，为使气化炉顺利排渣，必须将气化炉的反应温度提高至煤的灰熔点以上，温度提高使气化炉耐火砖的寿命相应缩短(气化炉的操作温度每提高100，耐火砖的磨蚀速率增加2倍)，氧牦、煤耗增加。为了降低操作温度必须加入助熔助，而助熔剂的加入会增加煤中惰性物质含量，使耐火砖磨蚀加剧，提高了制浆成本，固体灰渣处理量增加，灰渣水系统的结垢量上升。 煤的灰熔点以低于1300为宜，考虑到煤的气化效率及耐火砖的使用周期等方面的因素，最好的煤种灰熔点在12501300，如果原料煤的灰熔点太低，由于生产条件下煤灰的黏度降低，也会加剧对耐火砖的侵蚀，较低灰熔点的煤种可以通过配煤来解决。2.4 灰的粘温特性 黏度是衡量流体流动性能的主要指标，要实现气化温度下灰渣以液态顺利排出气化炉，黏度应在合适的范围之内，既要保证在耐火砖表面形成有效的灰渣保护层，又要保持一定的流动性。根据国内外对液态排渣锅炉的研究指出，灰渣的黏度应在2540Pas之间方可保证顺利排渣，水煤浆气化炉在操作温度下灰渣黏度控制在2530Pas为宜。 影响灰渣黏度的主要因素是煤灰的组成，即灰成分。煤灰的主要矿物质成分是Al2O3、SiO2、MgO等，通过调查研究表明：Al2O3是灰渣熔点升高、黏度变差的主要成分。Al2O3含量越高，煤灰的流动温度越高；Al2O3含量高于40时，煤灰的流动温度大于1500。 MgO含量一般很少，MgO又和SiO2形成低熔点的硅酸盐，起到降低灰融熔温度的作用。 SiO2是煤灰成分中含量最高的组分，使煤的灰熔融特性变差，黏度升高，但它与其它的组分(CaO)可以形成低熔点的物质，因而可依据其含量，在一定范围内添加CaO以消弱对灰黏度的影响。 CaO是降低灰熔点的组分，与SiO2形成低熔点的硅酸盐，因而CaO是最常用助熔剂组分，但其含量过高则析出CaO单体，反而使灰熔点升高，黏度增大。其添加量应控制在与灰分之比为20左右。 Fe2O3也是降低灰熔点及灰渣黏度的组分，因为Fe2O3在还原气氛下被H2或CO还原为FeO，FeO与灰渣中的SiO2和Al2O3形成低熔点的共熔物。Fe2O3含量低于20的煤灰，Fe2O3含量每增加1，煤灰的软化温度平均降低18。 K2O和Na2O含量增高，煤灰熔融温度显著下降，每增加1，煤灰的流动温度平均降低16。2.5 煤灰的焦渣特性 灰渣黏度是煤灰的高温特性，是指测定煤挥发分后所残留下焦渣的特性，共分8类，序号越大粘结性越强，一般认为水煤浆加压气化工艺的原料煤结渣特性应为12类。2.6 煤的挥发分 原料煤的挥发分代表一种煤的变质程度，变质程度越大，燃烧火焰越长，反应活性越好。煤的内在水分与挥发分有一定的关系，当煤的挥发分在255时内在水分最低；大于30，随着挥发分的增加而增加；当大于40时，增加较快；小于20时，随着挥发分的降低而增加。煤的变质程度越高，成浆性越差。2.7 煤的硫含量 对气化操作的本身并无显著影响，但生成的煤气只要高于露点温度操作，即可避免设备腐蚀，硫含量的高低对甲醇洗工序的影响很大。2.8 煤的可磨性 煤被破碎的难易程度称为煤的可磨性，不同的煤有不同的可磨性指数。煤的可磨性直接影响磨机的工作状况，既影响水煤浆的产量和质量又影响磨机的消耗。2.9 水煤浆配煤技术 煤料的反应性、成浆性、灰熔融温度是衡量煤种适应能力的主要指标，无烟煤反应活性低，褐煤成浆性差，均不适宜于水煤浆气化，最适宜的是长焰煤、气煤等。同时还应注意到煤灰在还原性气氛下的流动温度和粘温特性。 对煤质的一般要求如下：主要指标：放热量达25.121MJkg，越高越好；煤灰的流动温度在1300为宜，过高过低都不利于气化；煤中灰的含量不得高于13，越低越好。次要指标：考虑到煤浆的制备、泵送特性、煤的反应活性及气化效率，则全水分含量越低越好，挥发分含量越高越好，固定碳含量适中为好，煤中有害元素硫、氯、砷等越低越好；可磨性指数越大越好。 配煤的理论依据：所选用煤种的放热量在22.00MJkg以上，并且放热量高的与放热量低的搭配，使煤的发热量达25.12MJkg以上；成浆性、灰分等指标达到水煤浆气化技术的最低要求；采用不同煤种的混配以改变煤灰组成降低灰熔融温度，即：将煤灰组分中MgO、Fe2O3、K2O、Na2O含量高的煤与灰熔融温度较高的煤混配来降低灰熔融温度。3 采样矿点的选择 我国现在运行的4套水煤浆气化装置用煤点分别是：鲁南化肥厂采用山东兖矿煤部分矿点配煤，渭河化肥厂采用甘肃华亭煤(原使用陕西黄陵煤)，上海焦化厂采用神府煤，淮南化肥厂采用河南义马煤、甘肃华亭煤。 渭河化肥厂自从改用华亭煤后，改善了气化炉和变换系统的工作条件，运行情况不断地稳定，生产成本不断地降低。 淮南化肥厂开车期用河南义马煤矿的煤，生产正常后使用河南义马煤和甘肃华亭煤配煤(各50)，运行情况比较稳定，没有因为气化等问题造成停车或生产不稳定。 上海焦化厂使用神府煤，并做过大量掺烧沥青的试验，都取得了较好的效果。 鲁南化肥厂由使用“七五”矿煤改烧兖矿煤，由于兖矿煤矿点分散能力小，各矿点煤种又有较大的差异，生产用煤采用配煤。 开车初期，煤的选择应完全服从于工艺生产以减小对生产影响，价格可以高一些，煤质必须符合生产要求且煤质必须稳定；生产稳定以后，处于对装置的长周期运转考虑，需要将气化炉的温度控制在一定的范围之内，一般要采用配煤的方式，使原料煤的灰熔点正好处于这一温度范围，同时考虑生产成本，应选择价格较低一点的煤种；在企业生产经营困难，需要降低生产成本时期，选用价格有竞争力的煤种；在产品利润丰厚需要提高产量时，可以选用价格高，但可以提高单炉能力的煤种；从工艺稳定性方面考虑，应采用洗精煤。出于各个方面的考虑煤种的选择范围应宽一些，取样尽量能满足各方面的需要，但各种情况必须以保证生产的稳定性为前提。4 煤质取样程序4.1 煤质取样的方法 采制煤样的关键在于有代表性，一般来说，取样的准确度是随着批煤中所取分样数量的增多和每个分样质量的增加而增加的，而每个分样的质量又与煤粒度的上限有关，当其质量达到一定程度后对准确度的提高影响就不大了。 根据不同的目的采不同的煤样，如钻探时的煤样、采煤时的煤层煤样、在销售中的销售煤样等，根据生产、运输、存放的方式不同采用的具体方法亦不同，有的用手工采样，有的又要求用机械或自动化采样。 1)煤层取样：煤层取样的目的是鉴定煤质以确定其开采利用价值。一般在勘探时的探巷及坑道或生产矿井的采煤样、掘进工作面上采。煤层煤样包括分层煤样和可采煤样。分层煤样是用来鉴别各层煤和夹石层的性质的。可采煤样是用来确定可采的全部煤层及夹石层的平均性质的。 2)商品煤样：商品煤样代表出售给用户的煤的平均质量。一般在运输煤流或运输工具上及煤堆上取出子样，然后组成商品煤样。 3)生产煤样：生产煤样必须在煤层正常生产作业条件下采取，能代表煤层在本采样周期内的毛煤的质量。在采取生产煤样的同时必须采取煤层煤样。生产煤样的采样周期为一年。 根据气化用煤的特点，即要求煤样的代表性好、有一定的预见性。煤质取样的方法应采取煤层取样和商品取样两种办法。商品采样代表出售的煤的煤质，由于煤矿的质量控制的情况不同商品样与煤层样可能差别较大。生产煤样也是综合样，取样量较大(一般2.7t以上)，且如果煤层取样规范、取样点合适，则可以代表生产样。4.2 取样工作程序 取样工作必须事先联系煤矿，了解煤矿详细的矿井分布及结构情况，地质情况，煤质分析有关数据及有关的生产方法，煤矿取样的代表性情况。然后确定取样的方法(如在煤流中取还是在煤堆上取)及取样的子样个数。 确定取样方法后需联系煤矿进行商品取样工具及地点的协调工作；联系煤层取样的工具及取样人员的安排。由于煤层取样的特殊性，一般煤层取样是由煤炭煤质管理部门来取，由使用厂家派人监督过程的标准性。 商品煤样的取样程序，以煤堆上的采样为例，取样方法为：准备好取样工具。校准煤样的粒度符合要求(煤样粒度550mm)。按照矿上指定的煤堆，任意取初始取样起始点，根据煤堆的高度及密度确定取样的范围，选取1000t煤为一个采样单元。取样的个数应在60个样品，混煤的粒度小于50mm。每个子样的质量控制在22.5kg。根据煤堆的形状和子样的数目，用卷尺测量，将子样分布在煤堆的顶底腰，底据地面0.5m，向上划线每隔1m划一线，纵向垂直于底面划线每隔1m划线，第奇数条线的交点为取样点，在水平面上也以1m为单位划方格，第奇数条横线和偶数条横线的交点为取样点。在取样点处挖坑取样，先除去表面的20cm表面煤层，用取样铲取第一个样，注意取样时不应去除碱石等物质。每挖3.54m取一个样，至据地面0.5m左右。每取一样，用20kg台秤确定煤样质量在22.5kg，将煤样倒入准备好的取样袋中记录煤样的频次及煤样质量。依次取样至取样完毕。用200kg磅秤称量，总质量应等于分样质量之和。在取样袋中装入提前准备好的标签，标明煤矿、取样地点、取样类别、子样个数、总质量、取样时间、取样人员。 4.3 采样工作的监控 采样工作的监控对采样的代表性十分关键。 1)监控采样地点的代表性。采样的地点对于采样的代表性有很大的影响，如商品煤的采样地点必须首先来源于要采的矿点，要求井矿提供可靠的资料、档案。煤流中的采样地点应满足带速和方便采样且必须在煤炭加工的最后工序；煤层采样的位置应在主采区回采面上，如地质结构复杂，应增加取样的个数等。 2)采样程序的规范性。采样时子样位置的测量，子样质量的精度质量，煤炭的限上率的检查，采样过程的监督都必须符合国标的有关规定，对于不符合标准的行为应及时指出纠正，甚至重新取样。 3)采样样品的识别及标识。取完煤样必须立即记录采样的标识，并及时密封。 4)采样过程中需及时准确记录有关煤样的质量、采样频次、煤层的有关情况等。 这样就完成了对煤种的采样，下一步的工作是煤种评价和煤质分析，一般由专利商或专门的研究单位完成。 只有通过严密地组织，严格地遵照有关标准、规范，才能较好的完成矿点的选择和煤种的采样工作。水煤浆气化与粉煤气化的模拟评价唐宏青(中国石化集团兰州设计院，甘肃兰州,730060) 2001-12-16 由于油价的上涨使以油为原料的化肥、甲醇企业面临困境，以渭河化肥厂为代表的大型水煤浆制氨厂却闪起生机，为洁净煤化工开辟了新的前景。现在，众多厂家又提出引进粉煤气化技术，进一步提高洁净煤化工的效益。但是外商及其代理人在提出这一新技术时，有过分夸大粉煤气化效益的倾向，最突出一点是：粉煤气化的有效气量(CO+H2)比水煤浆气化多1012，氧耗量低 1525。如此可贵的技术进步，引起国内学者的严肃思考，对其真实性存有疑问。许多人提出应该用高新技术对这个问题进行定量的评价，为投资决策者提供可靠的依据。 对这两个工艺进行评价，单纯依靠外商报价是无济于事的。用模拟技术对国外报价进行评价的办法，已在多项工程中得以应用。可以有信心地说，在研究模拟技术30年后的今天，做这一件事并不困难。毫无疑问，“模拟评价”是化学工程的成熟技术。 1 客观评价的基础 建国至今，我国已经引进三十多套大型合成氨装置，可以博览世界氮肥新技术。不妨回忆引进的过程，每当引进签约时，都是国际先进水平，投产时就不一定了。因为随着时间的推移，技术在逐渐发展，国情也有一定的变化。历年来，国内的生产企业与设计院为这些企业进行技术改造。普遍的看法是，有百年历史的合成氨技术进步是渐进的，大幅度的技术进步是难以得到的。 为了正确地评价这两个工艺，应该建立一个“评价平台”。在这个平台上，尽量设置一个相对一致的初始和终止条件，输入两种工艺不同的数据，从而客观地评价这两个过程效果。无疑，这样的评价是比较公正的。 目前见到的对这两种工艺的评价，都是数字来自于资料的评价。这些评价片面地建立在只针对气化炉的基础上作出的，而且只是从气化炉出口组成的百分数出发的，忽略了气化炉出口干气绝对量的变化。这就是问题所在。 现在这两种炉子不仅仅打算用在制取合成气上，还打算用在制取甲醇、二甲醚、煤液化、合成油和氢气的工艺上。气化炉出来的粗水煤气的成分、数量、温度、压力将影响到它的后续工艺的指标。也就是说，只有在产物一致的前提下，才能比较这两种工艺的区别，可以让人看清各自的特点，成为投资者建厂的依据。 2 评价平台 2.1 工艺终点 两种煤气化工艺评价的终点，是合成氨工艺中可以设想为达到一致的地方。这无疑应该是液氨产品。但进行这样的模拟过分烦琐，不利于对比分析。两种煤气化工艺的评价流程分别见图1和图2。因此，可以将这一终点前移至中变入口点。在水煤浆制氨的工艺中，这一点是客观存在的，在粉煤气化制氨流程中，这一点是很接近的，不会失去粉煤气化流程的真实性。 这样的工艺评价终点是合理的，尽管这一评价终点的气体组成、温度、压力不尽相同，其后续工艺上也会稍有变化，但这一区别已经不影响评价的结果，可视为公平的评价终点。 上述工艺终点仅仅适合于合成氨，对于甲醇、二甲醚、合成油、制氢等工艺，还不能这样做。图 1和图2是合成氨流程从投煤到评价终点的工艺信息图。 2.2 工艺参数 1)煤 尽管两种工艺实际生产过程中用煤的组成不可能一致，但在评价时应该一致。目前已经肯定，水煤浆气化应该用灰熔点低一些的煤，根据国外的经验，粉煤气化在用于发电时，可以用熔点高的煤，但在化工上正期待着新的实践。为了满足两种工艺的需求，评价时都用低灰熔点的煤，见表1。 2)