張 艷，劉成龍，高天明，周鳳英，閆 強

(1.中國地質科學院全球礦產資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100037；2.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037；3.國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037；4.中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083；5.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

我國氣化用煤煤質評價指標體系構建研究

張 艷1，2，3，劉成龍1，3，4，高天明1，5，周鳳英1，2，3，閆 強1，2，3

(1.中國地質科學院全球礦產資源戰(zhàn)略研究中心，北京 100037；2.中國地質科學院礦產資源研究所，北京 100037；3.國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037；4.中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083；5.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

不同氣化工藝、不同氣化爐型對煤質的要求不同，若選擇不當，會導致煤氣化裝置生產指標下降甚至不能正常運行。因此，本文通過實地調研我國煤化工企業(yè)的技術發(fā)展現(xiàn)狀，詳細收集和分析了氣流床粉煤氣化爐、氣流床水煤漿氣化爐、流化床氣化爐和固定床氣化爐對配煤煤質的要求，結合有針對性的采樣測試分析工作，對比現(xiàn)有評價指標存在的不足并進行補充和完善，更新了原有氣化用煤煤質指標要求，首次建立起一套符合中國目前國情的氣化用煤煤質評價指標體系。

氣化用煤；煤質要求；指標體系

能源是國民經濟和社會發(fā)展的基礎[1]，我國能源狀況是富煤缺油少氣[2]，煤炭目前在能源消費結構中占三分之二。雖然當前我國煤炭需求增速放緩，產能過剩，煤炭開發(fā)利用帶來的環(huán)境問題也十分突出，但從能源戰(zhàn)略角度講，煤炭作為我國主體能源的地位和作用在今后相當長的時期內很難改變。

煤炭在開發(fā)、加工、利用過程會釋放出大量有害物質，對環(huán)境造成的污染，成為制約國民經濟和社會可持續(xù)發(fā)展以及2020年全面實現(xiàn)小康社會的一個主要影響因素。這種狀況引起了我國政府的高度重視，2013年1月1日國務院下發(fā)的《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，確定“實施能源消費強度和消費總量雙控制，努力構建節(jié)能型生產消費體系。堅持保護環(huán)境，大力推進煤炭高效清潔利用”為“十二五”期間國家能源發(fā)展的基本原則之一。

煤炭氣化作為一種清潔的煤炭轉化利用方式，被認為是未來煤炭潔凈利用技術的基礎。不同氣化工藝技術對煤質和煤類有不同的要求，為保障取得較好的經濟和社會效益，亟需建立一套符合中國國情的氣化用煤煤質評價指標體系。但是，迄今僅有國家標準化管理委員會出臺了煤化工用煤的技術導則，未有針對不同技術工藝的氣化用煤指標體系。本文在充分考慮不同煤類對煤氣化技術的適應性及不同煤氣化工藝對煤質的要求的基礎上，從不同煤氣化工藝與煤類煤質特性的匹配性要求出發(fā)，構建一套氣化用煤煤質評價指標體系，以規(guī)范氣化用煤，在保證氣化用煤質量的前提下，進一步保護我國的優(yōu)質煤種和稀缺煤種，鼓勵開發(fā)利用高硫煤等煤炭資源，優(yōu)化煤炭資源的開發(fā)利用路徑。

1 煤質評價指標體系研究的現(xiàn)實意義

煤質評價指標體系針對不同煤質選擇合適的煤化工工藝，煤質對工藝的選擇、煤炭利用效率、產能、產品質量、環(huán)境等都有較大影響。針對不對同氣化工藝，我國建立了較為完整、系統(tǒng)的煤化工用煤技術導則、常壓固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化標準，但在調研中發(fā)現(xiàn)，此標準在煤化工企業(yè)實際運用時出現(xiàn)了一些問題，中國目前煤化工項目因為煤質產生事故發(fā)生的案例層出不窮。

大唐克旗在內蒙古赤峰市克什克騰旗煤制天然氣項目采用魯奇爐氣化工藝，該項目一系列生產裝置于2014年1月17日全面停車，原因是氣化爐內壁腐蝕及內夾套減薄問題被迫停產檢修，該項目在2012年試運行期間采用的是神華煤，運行20多天沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，正式投產后改用大唐自身煤礦的褐煤，結果出了問題，這說明煤質對氣化爐的影響是主因。該企業(yè)雖經深入研究和對外考察，開始配煤摻燒，但由于項目原設計中沒有混配煤措施，且供煤煤質不夠穩(wěn)定，嚴重影響了氣化爐長周期穩(wěn)定運行，直接影響自產甲醇量，進而影響項目生產負荷和經濟效益。

新疆廣匯煤化工項目采用固定床魯奇爐氣化工藝，投產初期煤中硫元素對氣化工藝腐蝕非常嚴重，損失巨大，通過1年的時間尋找解決腐蝕技術，最后通過鎳基焊條對氣化爐內壁滿焊解決了腐蝕，由此可見煤質分析對氣化影響非常大，影響了項目早投產和公司經濟效益。2014年，內蒙古大唐克旗煤制天然氣項目氣化投料一個月就停車，最后查明原因也和新疆廣匯氣化腐蝕一樣。

大唐在錫林郭勒盟多倫縣46萬t煤制烯烴，項目采用殼牌粉煤氣化技術，多次因渣口堵渣、合成器冷卻器入口堵灰等原因而導致停車。2012年1月至2013年12月，3臺氣化爐渣口堵渣32次、合成器冷卻器入口堵灰12次，究其原因，主要由于煤質與氣化爐工藝不匹配原因所致。

大唐呼倫貝爾化肥廠合成氨項目采用清華爐水煤漿氣化工藝，投產后最為突出問題，就是原料煤種不匹配，裝置無法實現(xiàn)連續(xù)長周期穩(wěn)定運行，開停車頻繁。該地區(qū)能夠使用的最好煤質與設計煤種差距較大，褐煤水煤漿濃度設計為53%，但實際只能達到49%左右，使氣化裝置達不到設計能力。

兗州煤業(yè)榆林能化有限公司230萬t/a甲醇項目采用GE德士古水煤漿氣化工藝，于2008年12月29日打通全系統(tǒng)生產流程，經2年多的試運行，一直未能實現(xiàn)長周期穩(wěn)定運行，其中，2010年，因煤漿灰熔點波動，造成氣化爐頻繁堵渣，非計劃停產4次。由于榆樹灣礦的灰熔點較高，需要參混其他低灰熔點煤種，從源頭上降低煤的灰熔點并改善熔渣的流動性。2011年4月，開始根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對參配后的水煤漿進行試燒，于2011年8月建成了永久性參配裝置，基本未再出現(xiàn)因水煤漿灰熔點波動而造成的氣化爐堵渣現(xiàn)象。

在這些案例中，煤化工項目使用原煤煤質不適合選取煤化工工藝，導致氣化爐氣化爐內壁腐蝕、渣口堵渣、合成器冷卻器入口堵灰、水煤漿濃度偏低、灰熔點不穩(wěn)定等重大事故，嚴重影響了項目的按期進行。這充分說明由于實際運行數(shù)量太少及技術工藝變化，已有的標準可能不完全適應實際運行需求。因此建立氣化用煤煤質評價指標體系意義重大，是煤化工項目立項的基礎，為煤化工項目選擇原煤和煤化工工藝提供理論依據(jù)和工程指導。本文在通過對企業(yè)實際用煤的煤類、煤質與國家煤炭分類標準進行對比分析基礎上，修改完善原有氣化用煤指標，建立起了一套符合中國目前國情的氣化用煤指標體系。

2 氣化用煤煤質評價指標體系研究現(xiàn)狀

目前我國已經建立煤化工用煤技術導則、常壓固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化標準。

《煤化工用煤技術導則》2009年頒布，導則中說明煤炭氣化是指在一定溫度、壓力條件下，用氣化劑將煤中的有機物轉變?yōu)槊簹獾倪^程。主要包括固定床氣化、流化床氣化、氣流床氣化等技術。用于煤炭氣化的煤類有褐煤、不黏煤、弱黏煤、部分氣煤、貧瘦煤、貧煤和無煙煤等無黏結性或較弱黏結性的煤作為原料煤，無煙煤優(yōu)先用作常壓固定床氣化生產合成氨的原料。煤炭氣化用煤應考慮粒度、灰分、灰熔融性溫度及黏結指數(shù)等主要技術指標。固定床氣化工藝要求使用各種規(guī)格規(guī)格的塊煤。不同煤炭氣化工藝對煤的灰熔融性有不同要求，固定床氣化工藝一般要求煤灰熔融性軟化溫度大于1 250 ℃，水煤漿氣流床氣化工藝一般要求煤灰熔融性流動溫度小于1 300 ℃，干煤粉氣流床氣化工藝一般要求小于1 450 ℃。

常壓固定床氣化用原煤技術條件中規(guī)定，煤炭類別主要有褐煤、長焰煤、弱黏煤、氣煤、瘦煤、貧瘦煤、貧煤和無煙煤。具體煤質要求見表1。

流化床氣化用原料煤技術條件中對煤質的要求包括全水分、灰分、全硫、煤灰熔融性軟化溫度、950 ℃下煤對CO2反應性以及黏結指數(shù)(表2)。

氣流床氣化用原料煤技術條件規(guī)定了水煤漿氣流床和干煤粉氣化爐對煤質的要求，其中水煤漿氣流床氣化工藝對灰分、全硫、成漿濃度、煤灰熔融性、哈氏可磨性指數(shù)技術要求見表3和表4。

干煤粉氣流床氣化對原煤煤質要求包括全水分、灰分、全硫、煤灰熔融性流動溫度、哈氏可磨性指數(shù)。

表1 常壓固定床氣化用煤技術條件

表2 流化床氣化用煤技術條件

表3 水煤漿氣流床氣化用煤技術條件

表4 干煤粉氣流床氣化用煤技術條件

氣化用原料煤技術條件對不同工藝對煤質的要求作出規(guī)定，沒有對不同爐型氣化爐分別討論，目前國內煤化工項目使用爐型各不相同，有數(shù)十種爐型可供選擇，不同爐型對煤化工原煤煤質的要求不盡相同，簡單的氣化用原料煤技術條件無法滿足企業(yè)的需要，企業(yè)在選擇氣化爐和與之匹配的原料煤時無從考量或者選擇煤質不適合，導致煤化工項目事故的發(fā)生，影響企業(yè)生產進度和效益。構建氣化用煤煤質評價指標體系首先要分析不同氣化工藝氣化爐的特點，從正在運行的煤化工項目中收集不同氣化爐對煤質的實際生產要求，最后建立煤化工用煤煤質評價指標體系的構建。

3 不同氣化工藝對煤質的要求

國內煤化工用煤技術導則提出了不同氣化工藝對煤質的要求，包括常壓固定床氣化、流化床氣化和氣流床氣化三種工藝，缺陷是沒有考慮氣化爐型的選擇，氣化爐技術日新月異，其對構建氣化用煤煤質指標評價體系意義重大。

不同的氣化工藝、不同氣化爐型對煤質要求有所不同，若選擇不當，會導致煤氣化裝置生產指標下降甚至不能正常運行。本文通過對國內煤化工企業(yè)使用氣化工藝和氣化爐的調研，根據(jù)煤氣化工藝以及氣化爐的特點，詳細收集和分析了氣流床粉煤氣化爐、氣流床水煤漿氣化爐、流化床氣化爐和固定床氣化爐，三大氣化工藝17種爐型對煤質的要求。

3.1 氣流床粉煤氣化

氣流床粉煤氣化工藝爐型主要有殼牌爐、GSP、航天爐、東方爐、五環(huán)爐、兩段式粉煤氣化爐、科林爐等。殼牌爐為典型的氣流床粉煤氣化爐，殼牌爐一般要求原料煤灰分大于12%～25%，灰熔點在1 250～1 400 ℃之間，硫分大于0.5%～3.0%，灰成分SiO2/Al2O31.7%～2.7%、Fe2O3大于8%～18%[3]，對其他煤質參數(shù)如灰渣年度、全水分、熱值、可磨性指數(shù)、揮發(fā)分以及氯含量和氟含量等也有要求(表5)。GSP氣化爐灰分要求與殼牌爐有所不同，一般為1%～20%[4]。航天爐是在殼牌爐的基礎上國內生產的氣化爐，其特點是可氣化高灰、高硫、高灰熔點的劣質煤，一般要求灰分大于10%～35%，灰熔點大于1 350 ℃，硫分大于0.3%～5.2%[5]。其他氣化爐如東方爐、五環(huán)爐、兩段式粉煤氣化爐、科林爐對煤質的要求與殼牌大同小異，具體見表5。

3.2 氣流床水煤漿氣化

氣流床水煤漿氣化爐主要有德士古GE、四噴嘴對置-華理爐、清華爐、多元料漿氣化爐等。德士古一般要求灰分含量小于13%，灰熔點小于1 300 ℃，對內水的要求比較高，小于8%[6]，主要是因為內水是影響成漿濃度的重要指標。國產華理爐和清華爐在國內目前使用較多，多元料漿氣化爐是一種綜合的新型氣化爐，具體各種爐型對煤質的要求見表6。

3.3 流化床氣化

流化床氣化爐主要有HTW伍德爐、U-GAS、恩德爐、灰熔聚爐等。流化床氣化工藝的特點是可以氣化各種煤質煤類的原料煤，使用范圍廣。例如高灰熔點煤可使用U-GAS或者灰熔聚爐，U-GAS灰熔點流動溫度要求一般大于1 112～1 450 ℃，灰熔聚爐可氣化1 500 ℃高灰熔點的原料煤。U-GAS氣化爐可氣化硫分小于4%的高硫煤和灰分小于55%的高灰煤，還可以氣化內水小于43%的高含水煤[10-11]。其他氣化爐如伍德爐、恩德爐對煤質的要求見表7。

3.4 固定床氣化

固定床氣化是最早的氣化工藝，主要爐型有魯奇爐和BGL爐，魯奇爐一般要求原煤灰分大于10%～30%，灰熔點要求大于1 150～1 250 ℃[12]。其他爐型見表8。

4 氣化用煤煤質評價指標體系構建

將上述所分析的國內煤化工企業(yè)使用不同氣化工藝和不同爐型對煤質的要求，與我國煤化工用煤技術導則進行對比后發(fā)現(xiàn)，簡單的分工藝氣化用原料煤技術參數(shù)無法滿足實際應用中不同爐型的要求。例如：氣流床粉煤氣化技術導則要求煤灰分不大于25%，灰熔融性不大于1 450 ℃，全硫不大于3%。而國內生產航天爐可以氣化高灰高熔點和高硫煤，要求煤灰分10%～35%，灰熔點大于1 350 ℃，硫分不大于5.2%。由華東理工大大學和中石化聯(lián)合研制的東方爐可以氣化灰熔點高達1 500 ℃的煤。由此可見，在目前我國煤化工用煤技術導則的指導下，企業(yè)在選擇氣化爐和與之匹配的原料煤時無從考量，因選擇煤質不適合而導致煤化工項目事故的情況時有發(fā)生。因此，將原有的不同氣化工藝對煤質的要求，更新為不同氣化工藝、不同爐型用煤的煤質指標要求，為指標體系中煤質參數(shù)等級劃分提供了參考依據(jù)。

表5 氣流床粉煤氣化對煤質的要求

表6 氣流床水煤漿氣化對煤質的要求

數(shù)據(jù)來源：文獻[7]～[9]。

表7 流化床氣化工藝對煤質的要求

數(shù)據(jù)來源：文獻[16]～[17]。

氣化用煤主控煤質參數(shù)決定了煤的氣化能力和效果。本文以山西、陜西、內蒙、寧夏、安徽、河南、云南為重點省份，開展煤化工企業(yè)調研及采樣工作，并完成了煤與CO2反應性、煤巖學、工業(yè)分析、工藝分析等相關的煤質實驗。根據(jù)煤巖反應性實驗和煤質分析實驗的數(shù)據(jù)及收集的資料，分析不同煤質指標對化工工藝的影響特征及機理，確定了氣化用煤主控煤質指標為：灰分、灰熔點、揮發(fā)分、硫分、黏結指數(shù)、灰成分、內水、低熱值及哈氏可磨性指數(shù)及。并通過分析所調研的正在運行的煤化工項目中三大氣化工藝17種爐型對煤質的實際生產要求，掌握各氣化工藝氣化爐的特點，在國內煤化工技術導則的基礎上構建氣化用煤煤質評價指標體系(表9)。

表8 固定床床氣化工藝對煤質的要求

表9 氣化用煤煤質指標評價體系

數(shù)據(jù)來源：文獻[19]～[21]。

氣化用煤煤質指標評價體系中，各煤質指標劃分為三級，一級標準煤質條件最好，符合氣化工藝中所有或者多數(shù)氣化爐的要求。二級標準擴大了煤質參數(shù)的范圍，煤質條件中等，部分氣化爐可以氣化該類原煤。三級標準煤質參數(shù)要求范圍最廣，煤質條件差，只符合少數(shù)或者特定研制氣化爐的要求，技術可行的條件下，經濟可行性需做進一步的研究分析。例如，氣流床粉煤氣化工藝中，一級標準要求煤灰熔點1 250 ℃～1 400 ℃，此為氣流床粉煤氣化工藝中最佳氣化灰熔點，所有氣化爐包括殼牌、GSP、航天爐、東方爐、五環(huán)爐、兩段式粉煤氣化技術和科林爐都可以氣化該灰熔點范圍內原煤。二級標準要求煤灰熔點1 200～1 500 ℃，可氣化該灰熔點范圍內氣化爐有航天爐、五環(huán)爐、東方爐和科林爐。三級標準灰熔點要求1 15 0～1 600 ℃，只有航天爐和五環(huán)爐可以氣化灰熔點高達1 600 ℃煤。

5 結 語

用于煤炭氣化的煤類有褐煤、不黏煤、弱黏煤、部分氣煤、貧瘦煤、貧煤和無煙煤等無黏結性或較弱黏結性的煤作為原料煤。煤質是決定氣化技術選擇的最關鍵因素，也是氣化技術能夠穩(wěn)定和長期運行的保障。煤炭氣化用煤應考慮水分、灰分、灰熔融性溫度及黏結指數(shù)等主要技術指標。不同的氣化工藝、不同氣化爐型對煤質要求有所不同，若選擇不當，會導致煤氣化裝置生產指標下降甚至不能正常運行。構建氣化用煤煤質評價指標體系首先要分析不同煤質參數(shù)對化工工藝的影響特征及機理，掌握各氣化工藝氣化爐的特點，從正在運行的煤化工項目中收集不同氣化爐對煤質的實際生產要求，最后建立氣化用煤煤質分級評價指標體系。

根據(jù)煤氣化工藝以及氣化爐的特點，詳細收集和分析煤氣化爐對煤質的要求，選擇適合不同煤氣化工藝不同爐型的原煤，這將為拓寬煤炭應用范圍，提高煤炭的市場競爭力，提供有益的幫助。同時，國家也應加強以化工用煤為重點的特種煤炭資源研究，對具有特殊用途的煤種做到優(yōu)質利用和保護性開發(fā)，制定出合理的管理政策和法規(guī)，用政策和法規(guī)約束不合理利用特種煤的行為，強化按熱量配煤、按煤質配煤和按用途配煤等的特種煤專用、精用的管理措施。這對于避免煤炭資源的浪費和環(huán)境保護，以及大力推進我國煤炭資源高效清潔利用具有重要的現(xiàn)實意義。

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Study on the evaluation index system of coal gasification quality in China

ZHANG Yan1，2，3，LIU Chenglong1，3，4，GAO Tianming1，5，ZHOU Fengying1，2，3，YAN Qiang1，2，3

(1.Research Center for Strategy of Global Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；2.Institute of Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100037，China；3.MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment，Beijing 100037，China；4.Earth Science and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；5.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China)

Different coal gasification processes and different types of gasifier have different requirements for coal quality.If the selection is incorrect，the production index of the coal gasification plant will decline or even fail to operate properly.Therefore，through the investigation of China's coal chemical industry technology development situation，the requirements of coal blending in entrained flow furnace，pulverized coal gasifier，entrained flow gasifier，fluidized bed gasifier and fixed bed gasifier are collected and analyzed in detail.According to analysis of the sampling test and compare with the shortcomings of the existing evaluation index，we update the requirements for the previous coal gasification index.In the end，we set up a set of coal quality evaluation index system for coal gasification according to China's current situation for the first time.

coal gasification；the requirements for coal quality；evaluation index system

2017-04-08 責任編輯：宋菲

地質礦產調查評價項目“全國特種煤資源綜合評價與信息系統(tǒng)建設”資助(編號：DD20160189)；地質礦產調查評價項目“能源安全綜合研究與動態(tài)跟蹤評價”資助(編號：DD20160084)

張艷(1980-)，女，副研究員，主要從事能源經濟與能源政策方面的研究工作，E-mail：lydiazhang@cags.ac.cn。

高天明(1980-)，男，副研究員，主要從事資源經濟與政策方面的研究工作，E-mail：gaoming0920@aliyun.com。

TQ54

A

1004-4051(2017)07-0041-07