浅谈水煤浆气化用煤_顾文龙.pdf

Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry2023 年 4 月第 46 卷第 2 期Apr.2023Vol.46 No.2中国石化镇海炼化分公司（简称镇海炼化）两套煤焦制氢装置由中石化宁波工程有限公司完成基础工程设计及详细工程设计并承建，采用中国石化与华东理工大学联合开发的 SE-东方炉平推流水煤浆气化技术；两套煤焦制氢装置气化炉均为两开一备，其中第 1 套煤焦制氢装置单炉日投煤量（全煤工况）约 1 100 t，第 2 套煤焦制氢装置单炉日投煤量（全煤工况）约 2 600 t，镇海炼化年耗煤量最高可达270104 t；针对原料煤需求量日益增加，选择合适的水煤浆气化用煤显得至关重要，已然演变为煤化工行业重要的研究方向。1原料煤性能分析1.1原料煤组成煤是煤化工行业最基础、最核心、最根本的原料。从大类上说我国煤炭分为无烟煤、烟煤和褐煤，通常以反映煤化程度的干燥无灰基挥发分（Vdaf）来区分无烟煤与烟煤，采用透光率（PM）来划分褐煤中的小类，并区分褐煤与烟煤。使用煤化程度的干燥无灰基挥发分和反映黏结性的指标（黏结指数GR.L、胶质层最大厚度 Y 和奥阿膨胀度 b）对烟煤进行细分，可分为长焰煤、不黏煤、弱黏煤、1 2 中黏煤、气煤、气肥煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫瘦煤和贫煤等1。烟煤的煤化程度高于褐煤而低于无烟煤，由于烟煤热值较高，成浆性较好，灰含量适中，是理想的气化用煤。煤焦制氢装置所用的神优 2、陕煤 1 和马泰壕等原料煤均是烟煤中的长焰煤。不同原料煤工业分浅谈水煤浆气化用煤顾文龙（中国石化镇海炼化分公司，浙江宁波 315200）摘要：对于不同地区、不同变质程度的原料煤，各种性质均有所不同。通过考察数十种原料煤，筛选出了可用于水煤浆气化用煤的原料煤，并成功试烧了马泰壕、陕煤 1、尔林兔、印尼煤等新煤种。从原料煤组成、水煤浆成浆性、原料煤灰分熔融性和黏温特性、气化经济性等方面展开评价。关键词：原料煤成浆性熔融性黏温特性气化经济性收到日期：2022-05-27；收到修改稿日期：2023-01-30。作者简介：顾文龙，男，1992 年 12 月出生，本科学历，工程师，2015年毕业于广东石油化工学院化学工程与工艺专业，现在中国石化镇海炼化分公司生产部从事化工工艺技术工作。联系电话：15088831570；E-mail：。析、元素分析如表 1 所示。从气化技术角度来看，水煤浆加压气化技术可以适用于多种类型煤种，但从经济运行角度来看，水煤浆气化装置对原料煤有如下要求：低内水，内水含量越低越有利于制备高浓度水煤浆，内水含量大于 10%的煤种是不经济的；高挥发分、可磨指数，挥发分在高温下会呈气态逸出，促使煤颗粒破碎增大气化反应比表面积，一般来说可磨指数、挥发分含量越高的原料煤气化特性越好；低灰分，灰分低不仅有利于气化，还可减少粗细渣的产生量，一般控制灰分含量小于 12%；低灰熔点，灰熔点低可适当降低气化炉反应温度，提高有效气产量，选择灰熔点小于 1 300 的煤质有利于经济稳定运行；煤质稳定性，煤质稳定性是运行的关键，尽可能选择服务年限中期、储量大、地质条件相对好、煤层厚的矿点。1.2水煤浆成浆性分析水煤浆的成浆性对水煤浆的运输、气化燃烧和储存具有重要影响，水煤浆作为一种固液非均相流体，其流变特性主要分为 3 种类型：非牛顿流体中的胀塑性流体，表观黏度随剪切速率的增大而增大；非牛顿流体中的假塑性流体，表观黏度随剪切速率的增大而减小；牛顿流体，浆体的表观黏度不随0742023 年第 46 卷剪切速率的增加或降低而变化。在实际的生产中，希望制备出的水煤浆为假塑性流体，即在输送和气化燃烧时，表观黏度较低，有利于浆体的雾化和减少管道中的阻力，而在静置时表观黏度较高，有利于浆体的稳定。不同原料煤制备的水煤浆成浆性分析结果如表 2 所示。表 1不同原料煤工业分析和元素分析数据煤种M，%Mad，%Aad，%Vad，%Qnet，ar （MJkg-1）HGIFCad，%Had，%Clad，%St.ad，%神优 217.46.476.8632.2523.705454.424.251000.39马泰壕13.45.7610.8932.1423.915251.214.181620.50陕煤 112.24.048.7333.0925.245854.144.30920.66陕煤 217.97.456.3629.1823.246257.014.121140.33欣昱煤12.93.8711.9430.7524.026453.444.136550.34尔林兔17.18.085.9630.8023.975455.164.022000.37印尼煤20.68.064.7541.7121.405345.484.62800.18石拉乌素11.15.426.9631.4426.115056.184.031420.84张家堡11.26.117.6833.9025.535252.314.16790.37榆林山东12.43.157.8634.8723.915954.124.722602.00哈萨克斯16.67.213.2040.5823.675549.014.722100.43宝平湾15.06.166.4030.8824.625356.564.12600.22呼和乌素14.06.356.2829.8224.865657.554.071050.35满来梁15.69.724.7532.4624.257253.073.87600.25特低灰15.87.706.0430.1524.346356.114.141600.38榆树湾4.43.258.5433.6427.246454.574.40800.77注：M 收到基水分含量，Mad 空干基水分含量，Aad 空干基灰分含量，Vad 空干基挥发分含量，Qnet，ar 收到基低位热值，HGI 哈氏可磨指数，FCad 空干基固定碳含量，Had 空干基氢元素含量，Clad 空干基碳元素含量，St.ad 空干基硫元素含量。表 2不同原料煤制备的水煤浆成浆性分析煤种添加剂量，%表观黏度 （mPas）实测浓度，%24 h 析水率，%流动性稳定性神优 21.578059 2.0A无沉淀马泰壕1.561359 1.0A无沉淀陕煤 11.575459 1.0A无沉淀陕煤 21.5114059 1.5B无沉淀欣昱煤1.593059 1.5A-无沉淀尔林兔1.574059 1.0A无沉淀印尼煤1.5118059 2.0A-无沉淀石拉乌素1.564059 0.5A无沉淀张家堡1.589059 1.0A无沉淀榆林山东1.562259 1.0A无沉淀哈萨克斯1.566859 1.5A无沉淀宝平湾1.582659 1.0A无沉淀呼和乌素1.570659 1.0A无沉淀满来梁1.5145059 3.5C软沉淀特低灰1.570559 1.0A无沉淀榆树湾1.561559 2.0A无沉淀注：根据煤浆的流动情况，采用 A、B、C、D 表示煤浆的流动特性。A 稀流体，连续流动；B 流体，连续流动；C 稠流体，间歇流动；D 不流动；并用“+”“-”表示更细小的差别。由表 2 可以看出，不同原料煤制备的水煤浆成浆性还是有较大差异的，其中陕煤 2、满来梁原料煤成浆性较差，不适宜作为水煤浆气化用煤。1.2.1煤质对成浆性能的影响2原料煤煤质对水煤浆的成浆性影响较大，一般认为变质程度低的煤所制水煤浆的成浆性比变质程度高的煤所制水煤浆的成浆性好，主要原因是变质程度低的煤灰分含量较高，灰分通过影响煤表面的亲水性和电化学性质来改善水煤浆成浆性。原料煤因产地不同其成分有很大的差异，如内水、挥发分、氧碳比以及煤粒表面的性质也对成浆性有一定的影响。1.2.2粒度级配对成浆性能的影响粒度分布是影响水煤浆浓度和流变性的决定因素，高性能的水煤浆浆体要求粗颗粒间的孔隙能被细颗粒所填充，细颗粒间的孔隙又能被更细的颗粒所填充，一级一级继续下去，减少孔隙所吸收的水分，使颗粒孔隙中的水尽可能以“自由水”的形式存在，让煤粉颗粒流动起来，起到润滑降低水煤浆黏度的效果。当体系中有足够宽的粒度分布时，粗颗粒与细颗粒在较为适宜的范围内配合，颗粒的镶嵌程度提高，从而达到较为紧密的堆积，使得粒子间的团聚作用降低，故而体系具有充分的镶嵌作用和悬浮075第 2 期顾文龙.浅谈水煤浆气化用煤稳定性，继而得到高浓度的水煤浆3。1.2.3添加剂对成浆性能的影响水煤浆添加剂类型可以分为阳离子型、阴离子型和非离子型。其中阳离子型添加剂由于少量不足以改善表面呈负电性煤颗粒的分散性，因此不常用。非离子型分散剂大多数为聚合度不同的环氧乙烷聚合物，成本较高，因此也未被普遍应用。目前阴离子表面活性剂是最常用的，其中包括萘磺酸盐、木质素磺酸盐、腐殖酸磺酸盐、聚羟酸盐、聚苯乙烯磺酸盐等，其主要的影响机理是提高煤粉的亲水性、增强煤粒间的静电斥力和改善空间隔离位阻效应，使浆体具有良好的流变性和稳定性4。通常水煤浆稳定性随水煤浆添加剂加入比例的增加而提高。在生产过程中不仅要保证水煤浆流变性和稳定性指标，还要尽可能降低生产成本，因此煤焦制氢装置水煤浆添加剂（木质素磺酸盐）加入量（干基比）一般控制在0.15%0.20%。1.2.4制浆工艺对成浆性能的影响水煤浆 pH 值会影响到煤粒与添加剂的相互作用，一般随着 pH 值的增大，可在一定程度上改善水煤浆的成浆性。水煤浆理论最佳 pH 值应大于 10，但煤焦制氢装置实际 pH 值一般控制在 7.07.5，主要是水煤浆在大煤浆槽内相对停留时间较短（12 h左右），成浆性可满足生产要求。同时提高水煤浆 pH值增加了生产成本，从效益上是不划算的，因此在实际生产中没有对水煤浆 pH 值进行特别的要求。随着温度的升高，水煤浆黏度逐渐降低，根据斯托克斯公式，颗粒的沉降速率也会随之加快，从而使水煤浆的稳定性降低5。因此在水煤浆制备过程中，温度不宜控制过高，最佳的操作区间为 4070，高于 70 表面水分易挥发，当浓度较高时容易析出硬沉淀，对水煤浆成浆性造成影响。2原料煤灰分熔融性和黏温特性分析2.1灰分熔融性分析煤灰熔融性是煤灰在高温下达到熔融状态的温度，是气化用煤的一个重要指标。不同原料煤灰分组成、熔融特性参数如表 3 和表 4 所示。表 3不同原料煤灰分组成煤种SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOTiO2SO3P2O5K2ONa2O神优 239.814.39.2421.601.340.799.940.191.000.93马泰壕45.315.76.9819.200.910.846.680.081.591.34陕煤 130.317.112.1022.602.980.899.341.162.05陕煤 231.717.07.7318.601.111.0117.700.120.663.24欣昱煤44.618.78.7013.201.721.079.420.120.821.39尔林兔31.115.710.6026.500.281.0311.700.770.89印尼煤39.817.018.309.722.720.903.890.251.484.04石拉乌素28.917.415.3023.601.380.7910.400.340.89张家堡30.127.48.4620.601.260.757.731.191.38榆林山东38.921.221.305.101.091.424.561.051.332.49哈萨克斯34.316.79.9421.502.020.8910.500.210.971.93呼和乌素38.119.47.2514.801.811.0111.800.060.883.96特低灰24.014.38.6636.000.790.7111.700.420.251.76表 4不同原料煤灰分熔融特性参数煤种硅铝比酸性氧化物含量，%碱性氧化物含量，%酸碱比流动温度 神优 22.7854.934.11.611170马泰壕2.8961.830.12.061200陕煤 11.7748.340.91.181140陕煤