楊 友，何 俊，李 猛

(河南晉開化工投資控股集團有限責(zé)任公司，河南 開封 475002)

0 引 言

山西省晉城市地處“沁水煤田”南端，是我國優(yōu)質(zhì)無煙煤基地[1]，晉城全市含煤面積5 350 km2，總儲量808×108t，其中已探明儲量271×108t，占全國無煙煤總量的1/4強，占山西省無煙煤總量的1/2強，年產(chǎn)原煤達75 Mt。

晉城煤具有熱穩(wěn)定性好、固定碳含量高、發(fā)熱量大等優(yōu)點，長期以來在固定床間歇氣化工藝中得到廣泛應(yīng)用，市場占有率達80%以上，但隨著現(xiàn)代大型煤氣化裝置的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，水煤漿氣化和干煤粉氣化為代表的氣流床氣化工藝成為主流，固定床間歇氣化工藝逐漸被取代，加之國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、清潔生產(chǎn)和環(huán)境治理等政策趨緊，固定床間歇氣化裝置面臨淘汰或改造，作為固定床間歇氣化工藝的主要原料，晉城煤銷售市場逐漸萎縮；但晉城礦區(qū)是我國優(yōu)質(zhì)無煙煤生產(chǎn)基地，具有完備的煤炭生產(chǎn)管理和質(zhì)量保障體系，能夠保證原煤煤質(zhì)穩(wěn)定。因此，對晉城煤氣化技術(shù)進行適應(yīng)性分析，不僅可為煤化工企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的改造升級與原料選擇提供一些參考與借鑒，而且可為晉城煤在新時期的煤氣化應(yīng)用找到一條路子。

1 晉城煤煤質(zhì)特征

1.1 煤質(zhì)特征[2-3]

晉城煤固定碳含量高、揮發(fā)分含量低、灰熔點高，隨著優(yōu)質(zhì)煤炭資源的枯竭，目前晉城煤逐漸向9#、15#煤煤質(zhì)特征過渡，9#、15#煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1。9#、15#煤為中-高灰、中-富硫、高發(fā)熱量無煙煤，其基本煤質(zhì)特征是：灰分高，普遍在22%～40%(質(zhì)量分數(shù)，下同)；硫含量高，是其他無煙煤的1.5～9.0倍，普遍在2.0%～4.5%；灰熔融性溫度(FT)高，高于1 500 ℃。可見，目前晉城煤總體表現(xiàn)出灰分高、硫含量高、灰熔點高的“三高”特征。

物理性質(zhì)方面，晉城煤具有硬度大、哈氏可磨性指數(shù)(HGI)低的特點。目前，水煤漿加壓氣化工藝要求粉煤粒度小于200目的占70%以上、干煤粉加壓氣化工藝要求粉煤粒度小于200目的占90%以上，而晉城煤硬度大、哈氏可磨性指數(shù)(HGI)小于50，會造成磨煤設(shè)備磨損嚴重以及煤粉在磨煤單元停留時間長、設(shè)備出力小、能耗高。

表1 晉城礦區(qū)9#、15#煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

生產(chǎn)運行方面，密度和硬度較大的晉城煤粉對輸送管線、設(shè)備的磨損程度較其他煤種嚴重。

灰分組成方面，晉城煤灰成分中的A12O3含量高達30%以上，SiO2含量也超過40%，造成其灰熔點高(如表2)，煤灰高溫流動性差。

表2 幾種晉城煤的灰熔點 ℃

1.2 動力學(xué)特征

煤炭在氧氣、蒸汽等氣化劑存在的條件下反應(yīng)生成粗煤氣的過程，是表面反應(yīng)過程，理論上包括氣化劑向煤表面擴散、煤中可燃組分與氣化劑反應(yīng)、反應(yīng)產(chǎn)物向外擴散等過程。在氣化爐內(nèi)高溫環(huán)境中，變質(zhì)程度較低的煤種，煤中小分子物質(zhì)的析出(100～450 ℃)、煤中碳的燃燒和氣化(550～1 200 ℃)、煤中礦物質(zhì)的熔化與反應(yīng)(500 ℃以上)三部分物質(zhì)質(zhì)量比為(2.5～3.0)∶(4.5～6.5)∶(0.5～2.5)，由于高溫環(huán)境和較短的停留時間，前兩步反應(yīng)的疊加為后續(xù)反應(yīng)創(chuàng)造了較好的內(nèi)擴散條件，在相同外擴散條件下，促進了低變質(zhì)程度煤的燃燒或氣化反應(yīng)。

晉城煤屬于高階煤，煤的變質(zhì)程度很高，揮發(fā)分低(普遍在10%以下)、固定碳含量高(普遍在80%以上)，在相同的外擴散條件下表現(xiàn)為小分子有機物難析出或析出比例小，后續(xù)碳的氣化內(nèi)擴散條件不及低變質(zhì)程度的煤種，要求有較長的反應(yīng)時間以達到相應(yīng)的碳轉(zhuǎn)化率。在熱重分析中，晉城煤的著火溫度、燃燼溫度、燃燒反應(yīng)活化能等指標均高于褐煤、煙煤，晉城煤放熱強度、半峰寬和總放熱量均大于褐煤、煙煤。

基于晉城煤的動力學(xué)特征，在工業(yè)上的應(yīng)用晉城煤需較高的燃燒溫度和較長的停留時間，配套工藝方面需有相應(yīng)的強化和保障措施，同時應(yīng)考慮熱量的轉(zhuǎn)換和回收利用。

1.3 氣化特征

由于晉城煤具有上述煤質(zhì)特征和動力學(xué)特征，在氣化過程中表現(xiàn)出熱穩(wěn)定性好、放熱量大、產(chǎn)氣量大、燃燒時間長，在固定床間歇氣化工藝、固定床連續(xù)氣化工藝中具有競爭優(yōu)勢。

在干煤粉氣化工藝中，晉城煤相應(yīng)的配煤、磨煤、煤粉干燥與輸送、氣化、渣水處理等設(shè)備配套均比低變質(zhì)煤種高。其中，配煤單元應(yīng)具備兩種或兩種以上調(diào)整晉城煤煤質(zhì)的裝置，或通過配煤、或通過添加堿金屬或堿土金屬礦物質(zhì)以改變煤質(zhì)和煤灰組分；磨煤單元應(yīng)采用鋼球磨或其他磨制能力強、耐磨性好、出力大的裝置；煤粉采用高壓密相輸送，需充分考慮輸送管道的密封性和耐磨性；氣化單元要求煤粉在氣化爐內(nèi)有較長的停留時間和較高的反應(yīng)溫度，且流場分布合理，設(shè)備局部需考慮耐磨和耐溫措施；渣水處理單元，有條件的情況下應(yīng)回收粗煤氣顯熱，采用多級閃蒸回收灰水熱量、降低灰水溫度，以提高氣化裝置整體運行效能。

在水煤漿氣化工藝中，由于晉城煤煤粉自身成漿性較差，在制漿配煤中摻入比例不高，可通過原料的粒度級配和內(nèi)在水分分析，調(diào)整晉城煤的成漿性與穩(wěn)定性。

至于氣流床氣化工藝對煤灰熔融特征的具體要求[4]，晉城煤可通過配煤或通過添加堿金屬或堿土金屬礦物質(zhì)以降低灰熔點和改善煤灰熔融特征。值得注意的是，物料混配具有分散度和均一性的客觀要求，而配煤或配入助熔劑僅能從整體上改變煤灰組分，對氣化過程的灰成分實際改變效果有限；同時，晉城煤氣化要求有較高的氣化溫度，在一定程度上增加了通過外部混配改變煤灰熔融特征的難度。實際應(yīng)用中，配煤由于煤種差異和混配均勻度等方面的問題，易造成晉城煤氣化工況不穩(wěn)定或碳轉(zhuǎn)化率低；配入助熔劑則會增加灰水處理系統(tǒng)負荷，易出現(xiàn)設(shè)備、管道結(jié)垢堵塞等問題。另外，晉城煤硫含量高，硫在氣化過程中轉(zhuǎn)化成H2S、SO2、SO3等酸性組分，在工藝氣脫硫之前會對管道、設(shè)備密封等造成腐蝕，所生成的CaSO4、MgSO4易形成水垢而堵塞管道。

此外，晉城煤氣化所產(chǎn)粗煤氣中CO含量高、H2含量少，也是下游系統(tǒng)尤其是變換系統(tǒng)需重點考慮的問題。目前“等溫變換”、“絕熱變換”為高含量CO粗煤氣變換提供了解決方案，且在變換單元可副產(chǎn)高品位蒸汽，有利于系統(tǒng)熱量的回收利用。

綜上，晉城煤應(yīng)用于氣流床氣化工藝時，應(yīng)配套相應(yīng)設(shè)施并采取相應(yīng)的方法，這在一定程度上會相對增加項目的投資，也會增加系統(tǒng)的操作運行難度。

2 晉城煤氣化工藝適應(yīng)性要求

基于目前的政策環(huán)境和大型煤化工裝備發(fā)展需要，充分利用晉城煤放熱量大、放熱時間長、粗煤氣中H2含量少的特點，氣化工藝設(shè)計中應(yīng)著重考慮以下幾個方面的內(nèi)容。

2.1 提高碳轉(zhuǎn)化率

碳轉(zhuǎn)化率是篩選煤氣化工藝的基礎(chǔ)，在滿足工藝運行條件的情況下，應(yīng)充分利用晉城煤能量密度高的特點，強化煤的氣化和能量轉(zhuǎn)化。

(1)提高核心燃燒區(qū)溫度。就煤質(zhì)而言，晉城煤的氣化主要集中在碳氣化部分，碳與氣化劑轉(zhuǎn)化的強度和速度決定了晉城煤的轉(zhuǎn)化效率或轉(zhuǎn)化率；在氣化爐設(shè)計上，對核心燃燒區(qū)進行有針對性的設(shè)計，提高核心燃燒區(qū)溫度，使碳的轉(zhuǎn)化反應(yīng)接近于理想的絕熱燃燒反應(yīng)，提高煤在燃燒區(qū)的能量利用率，進而提高煤的氣化強度和轉(zhuǎn)化率。

(2)能量的有效利用。煤的氣化是能量的轉(zhuǎn)化過程，首先煤應(yīng)在氣化過程中充分轉(zhuǎn)化，針對晉城煤在氣化爐內(nèi)的溫度場、質(zhì)量場、氣流場分布等，設(shè)計中應(yīng)充分利用晉城煤的高熱量密度促進其轉(zhuǎn)化，重點考慮有利于煤反應(yīng)溫度提高、停留時間延長。其次，由于晉城煤氣化溫度較其他煤種高，使得粗煤氣、渣、灰水溫度高，相應(yīng)地其顯熱回收量大，需充分考慮顯熱的回收利用——對于粗煤氣，其顯熱在氣化爐氣化段內(nèi)水冷壁吸收一部分副產(chǎn)蒸汽，在氣化段外目前有“廢鍋流程”、“廢鍋+激冷流程”可回收一部分；對于灰水，可通過灰水換熱器回收或通過閃蒸灰水回收；煤轉(zhuǎn)化成CO所帶的潛熱，通過后續(xù)變換系統(tǒng)等回收，用于副產(chǎn)蒸汽。

2.2 設(shè)計合理的有效氣組分

由于晉城煤氣化所產(chǎn)的粗煤氣中CO含量高、H2含量少，在產(chǎn)品選擇時，應(yīng)適當(dāng)轉(zhuǎn)化CO，將大部分CO用作原料氣或燃料氣，減少中間轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，提高直接轉(zhuǎn)化比例，從而減少在變換、輸送、分離、水處理等環(huán)節(jié)的投入與消耗，提高能量整體利用率。

在設(shè)計和規(guī)劃上，一是要結(jié)合后續(xù)產(chǎn)品需要，針對氣化工藝選擇合適的CO/H2降低原料消耗和能耗；二是結(jié)合廠區(qū)、園區(qū)及區(qū)域?qū)怏w的需要，提高CO用作原料氣或燃料氣的比例，促進系統(tǒng)節(jié)能。

2.3 渣、水、灰配套設(shè)施簡單有效

渣是煤經(jīng)氣化后產(chǎn)生的固體廢棄物，對于激冷流程而言，一部分是撈渣機所產(chǎn)生的粗渣，一部分是灰水帶出的經(jīng)沉降、分離、脫水而形成的細渣。渣是煤中灰分的集中體現(xiàn)，煤的灰分決定了渣量，入爐原料煤灰分越高渣量就越大，在煤化工領(lǐng)域渣屬于固體廢棄物，因此渣量小、易處理有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。對于氣化渣量的控制，實際生產(chǎn)中，一方面要降低入爐煤灰分，從源頭上減少渣的產(chǎn)生；另一方面應(yīng)穩(wěn)定工況及操作、提高碳轉(zhuǎn)化率，減少渣中固定碳含量。另外，應(yīng)加大灰水循環(huán)量，將煤氣化后固體產(chǎn)物及時移出，通過水系統(tǒng)促進氣化裝置的穩(wěn)定運行。

對于氣化工藝水，則要求成分簡單、水量小、易處理、能回收，平衡補水、回收水、藥劑水處理等環(huán)節(jié)，降低水處理成本，促進系統(tǒng)節(jié)能。

對于粗煤氣凈化，應(yīng)充分考慮粗煤氣夾帶出的不溶性煤灰的影響，配套分離、回收等單元，滿足粗煤氣中煤灰含量<5 mg/m3的工藝要求。目前，粗煤氣凈化常采用“文丘里+洗滌除塵”，個別工藝系統(tǒng)中設(shè)置有旋風(fēng)除塵或水膜除塵，但粗煤氣凈化效果不甚理想，難點在于氣-固-液三相同時存在，微量固體長期積累后易堵塞凈化系統(tǒng)設(shè)備。

2.4 縮短高溫高壓過程

由于氣化爐中的高溫、高壓環(huán)境，為保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性、可靠性、安全性，配套有工藝控制、操作、監(jiān)測、計量、安全保護等一系列技術(shù)措施，高溫、高壓過程越長，配套設(shè)施越復(fù)雜，系統(tǒng)運行難度、運行成本、維護費用等相應(yīng)增加。因此，在氣化工藝設(shè)計中，將煤自身特征、煤氣化過程、控制方法、裝備特點、裝置設(shè)計、設(shè)備布置緊密結(jié)合，縮短煤氣化高溫、高壓過程，從方法、技術(shù)和設(shè)備等方面提升煤氣化的經(jīng)濟性。

3 晉城煤氣化技術(shù)的適應(yīng)性分析

結(jié)合晉城煤的特征和目前煤化工裝置的大型化、清潔化等要求，針對晉城煤的氣化工藝和裝備的設(shè)計，應(yīng)充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

3.1 充分利用晉城煤發(fā)熱量高的特點

晉城煤熱值高、放熱強度大、燃燒時間長，在氣化工藝設(shè)計中，需強化固定碳與氧氣的界面反應(yīng)，提高核心燃燒區(qū)的溫度與壓力，延長煤粉在氣化爐內(nèi)的停留時間，促進固定碳轉(zhuǎn)化，主要措施如下。

(1)提高煤粉粒度合格率，降低外擴散與內(nèi)擴散阻力。采用多種方法優(yōu)化現(xiàn)有備煤系統(tǒng)，提高晉城煤粉粒度合格率，為煤中固定碳與氣化劑反應(yīng)提供有利條件，降低外擴散與內(nèi)擴散阻力，促進煤粉中固定碳的轉(zhuǎn)化。

(2)提高生產(chǎn)負荷，充分利用煤中熱量。煤中能量轉(zhuǎn)化95%以上是在氣化爐內(nèi)進行的，氣化爐是煤炭能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵設(shè)備與環(huán)節(jié)，在煤與氣化劑配比適宜的情況下，盡量提高氣化爐負荷，高負荷有利于促進煤中固定碳的轉(zhuǎn)化。

(3)優(yōu)化燒嘴結(jié)構(gòu)、氣化爐結(jié)構(gòu)，提高燃燒區(qū)氣化強度。氣化爐燒嘴結(jié)構(gòu)、煤與氣化劑的配比以及配比方式，是氣化工藝設(shè)計的核心，特定煤種應(yīng)配套特定氣化燒嘴結(jié)構(gòu)，晉城煤氣化燒嘴在工藝上應(yīng)滿足碳/氧混合強度和高負荷要求，以利于提高氣化操作溫度，適應(yīng)晉城煤高灰熔點、高活化能、氣化反應(yīng)時間長的特征；氣化爐結(jié)構(gòu)決定了氣化過程氣流、固定碳、渣(粒)分布及停留時間，晉城煤密度大、氣化反應(yīng)時間長，需相應(yīng)擴大設(shè)備及構(gòu)件的尺寸，延長煤粉在爐膛內(nèi)的停留時間，促進煤粉中固定碳的轉(zhuǎn)化。

3.2 改進氣化工藝以提高其對晉城煤的適應(yīng)性

與煙煤相比，晉城煤硬度大、燃燒反應(yīng)活化能高、反應(yīng)活性低、燃燒時間長，在工藝上體現(xiàn)為磨煤機出力低、氣化反應(yīng)停留時間長、著火溫度高、燃燼溫度高，具體可從以下方面進行相應(yīng)的改進。

(1)優(yōu)化備煤工藝，改善磨煤機配置，保證粉煤粒度合格率。通過原料煤粒度級配或添加助磨劑等方式優(yōu)化備煤工藝，改變磨煤機加載力、研磨面結(jié)構(gòu)與材質(zhì)，以增強磨煤機的磨制能力；通過煤粉粒度級配優(yōu)化煤粉粒度分布，保證粉煤粒度合格率。

(2)增大氣化爐高徑比(H/D)，延長煤粉在爐內(nèi)的停留時間。氣化爐H/D的提高，相對增加了煤在爐內(nèi)的停留時間，即延長了固定碳在爐內(nèi)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)時間，有利于煤在爐內(nèi)的充分干餾、燃燒、反應(yīng)。

(3)提高單爐負荷與投煤量。提高單爐投煤量和負荷，有利于煤中能量的有效轉(zhuǎn)化；擴大核心燃燒區(qū)，有利于提高爐溫，提高氣化反應(yīng)強度，提高碳轉(zhuǎn)化率，一定程度上可克服晉城煤煤質(zhì)方面的不良影響；調(diào)整氣化爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)晉城煤反應(yīng)速率較慢、反應(yīng)時間較長的特點。

(4)提高氣化爐熔渣能力。晉城煤灰熔點高，除采取配煤等措施外，氣化爐熔渣能力需進一步提高：首先，熔渣是提高碳轉(zhuǎn)化率的保障措施，氣化爐熔渣能力越強，碳越容易轉(zhuǎn)化成粗煤氣；其次，熔渣有利于爐內(nèi)蓄能，對固定碳轉(zhuǎn)化、蒸汽變換分解、有機組分分解均有促進、調(diào)節(jié)和穩(wěn)定的作用；再者，氣化爐熔渣能力強，有利于保護氣化設(shè)備，實現(xiàn)“以渣抗渣”；最后，在固廢利用方面，熔渣易處理。

(5)充分回收氣化后續(xù)單元中的熱量。晉城煤熱值高、放熱量大，煤經(jīng)氣化后所產(chǎn)生的粗煤氣、渣等均需經(jīng)過降溫、洗滌、除塵過程，以滿足下游系統(tǒng)生產(chǎn)所需，因此，充分回收氣化后續(xù)單元中的熱量有利于提升生產(chǎn)裝置的運行效能。目前，粗煤氣顯熱可通過廢鍋流程和半廢鍋流程回收，激冷水、洗滌水等攜帶熱量則通過循環(huán)利用過程回收，灰水閃蒸汽提副產(chǎn)的低壓蒸汽也可回收一部分熱量。

(6)重視工藝水的處理。氣化工藝水處理設(shè)施是氣化裝置穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，水中固含量、結(jié)垢組分、污染物組分及水質(zhì)控制等均應(yīng)有配套處置措施，且應(yīng)與氣化原料煤煤質(zhì)、氣化工藝、過程中的蒸發(fā)等同步管理，避免水處理設(shè)施超負荷運行而影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運行。

4 結(jié) 語

結(jié)合晉城地區(qū)自身的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，以及適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展要求，晉城煤在氣流床煤氣化工藝中的應(yīng)用，應(yīng)充分發(fā)揮晉城煤自身的優(yōu)點，通過工藝調(diào)整、工藝組合、裝備集成等技術(shù)途徑，滿足大型煤氣化裝置的生產(chǎn)所需。

(1)充分發(fā)揮晉城煤高熱值優(yōu)勢。通過提高單爐投煤量、擴大核心燃燒區(qū)、提高粉煤粒度合格率、延長爐內(nèi)停留時間等方法，將煤中熱量充分釋放，促進煤粉中固定碳的轉(zhuǎn)化。

(2)有針對性地設(shè)計相應(yīng)的煤氣化裝備，促進煤炭資源清潔高效利用。在配煤、磨煤、煤粉輸送等備煤環(huán)節(jié)提高設(shè)備耐磨、耐沖刷、耐腐蝕性能，提高煤粉篩分能力，保證粉煤粒度合格率；在煤氣化環(huán)節(jié)，從氣化強度、熱量回收、渣處理、水循環(huán)、粗煤氣洗滌等方面提高裝備處理能力，降低系統(tǒng)堵塞、結(jié)垢、腐蝕風(fēng)險；在渣水處理和粗煤氣凈化環(huán)節(jié)，注重低品位熱能回收與工藝指標的匹配。

(3)綜合生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計與工藝流程，提高裝置的經(jīng)濟性。晉城煤氣化所產(chǎn)粗煤氣中CO含量高、H2含量低，結(jié)合廠區(qū)、園區(qū)及用戶需要，縮短CO轉(zhuǎn)化流程、選擇合適的CO/H2，促進全系統(tǒng)節(jié)能，提高裝置的經(jīng)濟性。

(4)重視設(shè)計、運行與管理等的配套，持續(xù)創(chuàng)新，保證裝置長周期穩(wěn)定運行。晉城煤與氣流床氣化工藝的適應(yīng)，是一個需長期摸索并不斷改進的過程，應(yīng)重視設(shè)計、運行與管理的長期結(jié)合，對于存在的問題，不斷攻克、持續(xù)創(chuàng)新，加強人、財、物等要素配套與投入，并針對晉城煤在氣流床氣化工藝中的應(yīng)用開發(fā)新材料、新設(shè)備、新工藝、新技術(shù)，以保證氣化裝置的長周期、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)運行。