晋城煤气化技术的适应性分析

杨 友，何 俊，李 猛

(河南晋开化工投资控股集团有限责任公司，河南 开封 475002)

0 引 言

山西省晋城市地处“沁水煤田”南端，是我国优质无烟煤基地[1]，晋城全市含煤面积5 350 km2，总储量808×108t，其中已探明储量271×108t，占全国无烟煤总量的1/4强，占山西省无烟煤总量的1/2强，年产原煤达75 Mt。

晋城煤具有热稳定性好、固定碳含量高、发热量大等优点，长期以来在固定床间歇气化工艺中得到广泛应用，市场占有率达80%以上，但随着现代大型煤气化装置的不断发展与创新，水煤浆气化和干煤粉气化为代表的气流床气化工艺成为主流，固定床间歇气化工艺逐渐被取代，加之国家产业结构调整、清洁生产和环境治理等政策趋紧，固定床间歇气化装置面临淘汰或改造，作为固定床间歇气化工艺的主要原料，晋城煤销售市场逐渐萎缩；但晋城矿区是我国优质无烟煤生产基地，具有完备的煤炭生产管理和质量保障体系，能够保证原煤煤质稳定。因此，对晋城煤气化技术进行适应性分析，不仅可为煤化工企业生产系统的改造升级与原料选择提供一些参考与借鉴，而且可为晋城煤在新时期的煤气化应用找到一条路子。

1 晋城煤煤质特征

1.1 煤质特征[2-3]

晋城煤固定碳含量高、挥发分含量低、灰熔点高，随着优质煤炭资源的枯竭，目前晋城煤逐渐向9#、15#煤煤质特征过渡，9#、15#煤煤质分析数据见表1。9#、15#煤为中-高灰、中-富硫、高发热量无烟煤，其基本煤质特征是：灰分高，普遍在22%～40%(质量分数，下同)；硫含量高，是其他无烟煤的1.5～9.0倍，普遍在2.0%～4.5%；灰熔融性温度(FT)高，高于1 500 ℃。可见，目前晋城煤总体表现出灰分高、硫含量高、灰熔点高的“三高”特征。

物理性质方面，晋城煤具有硬度大、哈氏可磨性指数(HGI)低的特点。目前，水煤浆加压气化工艺要求粉煤粒度小于200目的占70%以上、干煤粉加压气化工艺要求粉煤粒度小于200目的占90%以上，而晋城煤硬度大、哈氏可磨性指数(HGI)小于50，会造成磨煤设备磨损严重以及煤粉在磨煤单元停留时间长、设备出力小、能耗高。

表1 晋城矿区9#、15#煤煤质分析数据

生产运行方面，密度和硬度较大的晋城煤粉对输送管线、设备的磨损程度较其他煤种严重。

灰分组成方面，晋城煤灰成分中的A12O3含量高达30%以上，SiO2含量也超过40%，造成其灰熔点高(如表2)，煤灰高温流动性差。

表2 几种晋城煤的灰熔点 ℃

1.2 动力学特征

煤炭在氧气、蒸汽等气化剂存在的条件下反应生成粗煤气的过程，是表面反应过程，理论上包括气化剂向煤表面扩散、煤中可燃组分与气化剂反应、反应产物向外扩散等过程。在气化炉内高温环境中，变质程度较低的煤种，煤中小分子物质的析出(100～450 ℃)、煤中碳的燃烧和气化(550～1 200 ℃)、煤中矿物质的熔化与反应(500 ℃以上)三部分物质质量比为(2.5～3.0)∶(4.5～6.5)∶(0.5～2.5)，由于高温环境和较短的停留时间，前两步反应的叠加为后续反应创造了较好的内扩散条件，在相同外扩散条件下，促进了低变质程度煤的燃烧或气化反应。

晋城煤属于高阶煤，煤的变质程度很高，挥发分低(普遍在10%以下)、固定碳含量高(普遍在80%以上)，在相同的外扩散条件下表现为小分子有机物难析出或析出比例小，后续碳的气化内扩散条件不及低变质程度的煤种，要求有较长的反应时间以达到相应的碳转化率。在热重分析中，晋城煤的着火温度、燃烬温度、燃烧反应活化能等指标均高于褐煤、烟煤，晋城煤放热强度、半峰宽和总放热量均大于褐煤、烟煤。

基于晋城煤的动力学特征，在工业上的应用晋城煤需较高的燃烧温度和较长的停留时间，配套工艺方面需有相应的强化和保障措施，同时应考虑热量的转换和回收利用。

1.3 气化特征

由于晋城煤具有上述煤质特征和动力学特征，在气化过程中表现出热稳定性好、放热量大、产气量大、燃烧时间长，在固定床间歇气化工艺、固定床连续气化工艺中具有竞争优势。

在干煤粉气化工艺中，晋城煤相应的配煤、磨煤、煤粉干燥与输送、气化、渣水处理等设备配套均比低变质煤种高。其中，配煤单元应具备两种或两种以上调整晋城煤煤质的装置，或通过配煤、或通过添加碱金属或碱土金属矿物质以改变煤质和煤灰组分；磨煤单元应采用钢球磨或其他磨制能力强、耐磨性好、出力大的装置；煤粉采用高压密相输送，需充分考虑输送管道的密封性和耐磨性；气化单元要求煤粉在气化炉内有较长的停留时间和较高的反应温度，且流场分布合理，设备局部需考虑耐磨和耐温措施；渣水处理单元，有条件的情况下应回收粗煤气显热，采用多级闪蒸回收灰水热量、降低灰水温度，以提高气化装置整体运行效能。

在水煤浆气化工艺中，由于晋城煤煤粉自身成浆性较差，在制浆配煤中掺入比例不高，可通过原料的粒度级配和内在水分分析，调整晋城煤的成浆性与稳定性。

至于气流床气化工艺对煤灰熔融特征的具体要求[4]，晋城煤可通过配煤或通过添加碱金属或碱土金属矿物质以降低灰熔点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观要求，而配煤或配入助熔剂仅能从整体上改变煤灰组分，对气化过程的灰成分实际改变效果有限；同时，晋城煤气化要求有较高的气化温度，在一定程度上增加了通过外部混配改变煤灰熔融特征的难度。实际应用中，配煤由于煤种差异和混配均匀度等方面的问题，易造成晋城煤气化工况不稳定或碳转化率低；配入助熔剂则会增加灰水处理系统负荷，易出现设备、管道结垢堵塞等问题。另外，晋城煤硫含量高，硫在气化过程中转化成H2S、SO2、SO3等酸性组分，在工艺气脱硫之前会对管道、设备密封等造成腐蚀，所生成的CaSO4、MgSO4易形成水垢而堵塞管道。

此外，晋城煤气化所产粗煤气中CO含量高、H2含量少，也是下游系统尤其是变换系统需重点考虑的问题。目前“等温变换”、“绝热变换”为高含量CO粗煤气变换提供了解决方案，且在变换单元可副产高品位蒸汽，有利于系统热量的回收利用。

综上，晋城煤应用于气流床气化工艺时，应配套相应设施并采取相应的方法，这在一定程度上会相对增加项目的投资，也会增加系统的操作运行难度。

2 晋城煤气化工艺适应性要求

基于目前的政策环境和大型煤化工装备发展需要，充分利用晋城煤放热量大、放热时间长、粗煤气中H2含量少的特点，气化工艺设计中应着重考虑以下几个方面的内容。

2.1 提高碳转化率

碳转化率是筛选煤气化工艺的基础，在满足工艺运行条件的情况下，应充分利用晋城煤能量密度高的特点，强化煤的气化和能量转化。

(1)提高核心燃烧区温度。就煤质而言，晋城煤的气化主要集中在碳气化部分，碳与气化剂转化的强度和速度决定了晋城煤的转化效率或转化率；在气化炉设计上，对核心燃烧区进行有针对性的设计，提高核心燃烧区温度，使碳的转化反应接近于理想的绝热燃烧反应，提高煤在燃烧区的能量利用率，进而提高煤的气化强度和转化率。

(2)能量的有效利用。煤的气化是能量的转化过程，首先煤应在气化过程中充分转化，针对晋城煤在气化炉内的温度场、质量场、气流场分布等，设计中应充分利用晋城煤的高热量密度促进其转化，重点考虑有利于煤反应温度提高、停留时间延长。其次，由于晋城煤气化温度较其他煤种高，使得粗煤气、渣、灰水温度高，相应地其显热回收量大，需充分考虑显热的回收利用——对于粗煤气，其显热在气化炉气化段内水冷壁吸收一部分副产蒸汽，在气化段外目前有“废锅流程”、“废锅+激冷流程”可回收一部分；对于灰水，可通过灰水换热器回收或通过闪蒸灰水回收；煤转化成CO所带的潜热，通过后续变换系统等回收，用于副产蒸汽。

2.2 设计合理的有效气组分

由于晋城煤气化所产的粗煤气中CO含量高、H2含量少，在产品选择时，应适当转化CO，将大部分CO用作原料气或燃料气，减少中间转化环节，提高直接转化比例，从而减少在变换、输送、分离、水处理等环节的投入与消耗，提高能量整体利用率。

在设计和规划上，一是要结合后续产品需要，针对气化工艺选择合适的CO/H2降低原料消耗和能耗；二是结合厂区、园区及区域对气体的需要，提高CO用作原料气或燃料气的比例，促进系统节能。

2.3 渣、水、灰配套设施简单有效

渣是煤经气化后产生的固体废弃物，对于激冷流程而言，一部分是捞渣机所产生的粗渣，一部分是灰水带出的经沉降、分离、脱水而形成的细渣。渣是煤中灰分的集中体现，煤的灰分决定了渣量，入炉原料煤灰分越高渣量就越大，在煤化工领域渣属于固体废弃物，因此渣量小、易处理有利于系统的稳定运行。对于气化渣量的控制，实际生产中，一方面要降低入炉煤灰分，从源头上减少渣的产生；另一方面应稳定工况及操作、提高碳转化率，减少渣中固定碳含量。另外，应加大灰水循环量，将煤气化后固体产物及时移出，通过水系统促进气化装置的稳定运行。

对于气化工艺水，则要求成分简单、水量小、易处理、能回收，平衡补水、回收水、药剂水处理等环节，降低水处理成本，促进系统节能。

对于粗煤气净化，应充分考虑粗煤气夹带出的不溶性煤灰的影响，配套分离、回收等单元，满足粗煤气中煤灰含量<5 mg/m3的工艺要求。目前，粗煤气净化常采用“文丘里+洗涤除尘”，个别工艺系统中设置有旋风除尘或水膜除尘，但粗煤气净化效果不甚理想，难点在于气-固-液三相同时存在，微量固体长期积累后易堵塞净化系统设备。

2.4 缩短高温高压过程

由于气化炉中的高温、高压环境，为保证系统运行的稳定性、可靠性、安全性，配套有工艺控制、操作、监测、计量、安全保护等一系列技术措施，高温、高压过程越长，配套设施越复杂，系统运行难度、运行成本、维护费用等相应增加。因此，在气化工艺设计中，将煤自身特征、煤气化过程、控制方法、装备特点、装置设计、设备布置紧密结合，缩短煤气化高温、高压过程，从方法、技术和设备等方面提升煤气化的经济性。

3 晋城煤气化技术的适应性分析

结合晋城煤的特征和目前煤化工装置的大型化、清洁化等要求，针对晋城煤的气化工艺和装备的设计，应充分发挥其优势。

3.1 充分利用晋城煤发热量高的特点

晋城煤热值高、放热强度大、燃烧时间长，在气化工艺设计中，需强化固定碳与氧气的界面反应，提高核心燃烧区的温度与压力，延长煤粉在气化炉内的停留时间，促进固定碳转化，主要措施如下。

(1)提高煤粉粒度合格率，降低外扩散与内扩散阻力。采用多种方法优化现有备煤系统，提高晋城煤粉粒度合格率，为煤中固定碳与气化剂反应提供有利条件，降低外扩散与内扩散阻力，促进煤粉中固定碳的转化。

(2)提高生产负荷，充分利用煤中热量。煤中能量转化95%以上是在气化炉内进行的，气化炉是煤炭能量转化的关键设备与环节，在煤与气化剂配比适宜的情况下，尽量提高气化炉负荷，高负荷有利于促进煤中固定碳的转化。

(3)优化烧嘴结构、气化炉结构，提高燃烧区气化强度。气化炉烧嘴结构、煤与气化剂的配比以及配比方式，是气化工艺设计的核心，特定煤种应配套特定气化烧嘴结构，晋城煤气化烧嘴在工艺上应满足碳/氧混合强度和高负荷要求，以利于提高气化操作温度，适应晋城煤高灰熔点、高活化能、气化反应时间长的特征；气化炉结构决定了气化过程气流、固定碳、渣(粒)分布及停留时间，晋城煤密度大、气化反应时间长，需相应扩大设备及构件的尺寸，延长煤粉在炉膛内的停留时间，促进煤粉中固定碳的转化。

3.2 改进气化工艺以提高其对晋城煤的适应性

与烟煤相比，晋城煤硬度大、燃烧反应活化能高、反应活性低、燃烧时间长，在工艺上体现为磨煤机出力低、气化反应停留时间长、着火温度高、燃烬温度高，具体可从以下方面进行相应的改进。

(1)优化备煤工艺，改善磨煤机配置，保证粉煤粒度合格率。通过原料煤粒度级配或添加助磨剂等方式优化备煤工艺，改变磨煤机加载力、研磨面结构与材质，以增强磨煤机的磨制能力；通过煤粉粒度级配优化煤粉粒度分布，保证粉煤粒度合格率。

(2)增大气化炉高径比(H/D)，延长煤粉在炉内的停留时间。气化炉H/D的提高，相对增加了煤在炉内的停留时间，即延长了固定碳在炉内的转化反应时间，有利于煤在炉内的充分干馏、燃烧、反应。

(3)提高单炉负荷与投煤量。提高单炉投煤量和负荷，有利于煤中能量的有效转化；扩大核心燃烧区，有利于提高炉温，提高气化反应强度，提高碳转化率，一定程度上可克服晋城煤煤质方面的不良影响；调整气化炉内部结构，以适应晋城煤反应速率较慢、反应时间较长的特点。

(4)提高气化炉熔渣能力。晋城煤灰熔点高，除采取配煤等措施外，气化炉熔渣能力需进一步提高：首先，熔渣是提高碳转化率的保障措施，气化炉熔渣能力越强，碳越容易转化成粗煤气；其次，熔渣有利于炉内蓄能，对固定碳转化、蒸汽变换分解、有机组分分解均有促进、调节和稳定的作用；再者，气化炉熔渣能力强，有利于保护气化设备，实现“以渣抗渣”；最后，在固废利用方面，熔渣易处理。

(5)充分回收气化后续单元中的热量。晋城煤热值高、放热量大，煤经气化后所产生的粗煤气、渣等均需经过降温、洗涤、除尘过程，以满足下游系统生产所需，因此，充分回收气化后续单元中的热量有利于提升生产装置的运行效能。目前，粗煤气显热可通过废锅流程和半废锅流程回收，激冷水、洗涤水等携带热量则通过循环利用过程回收，灰水闪蒸汽提副产的低压蒸汽也可回收一部分热量。

(6)重视工艺水的处理。气化工艺水处理设施是气化装置稳定运行的关键，水中固含量、结垢组分、污染物组分及水质控制等均应有配套处置措施，且应与气化原料煤煤质、气化工艺、过程中的蒸发等同步管理，避免水处理设施超负荷运行而影响整个生产系统的长周期稳定运行。

4 结 语

结合晋城地区自身的传统产业优势，以及适应新技术发展要求，晋城煤在气流床煤气化工艺中的应用，应充分发挥晋城煤自身的优点，通过工艺调整、工艺组合、装备集成等技术途径，满足大型煤气化装置的生产所需。

(1)充分发挥晋城煤高热值优势。通过提高单炉投煤量、扩大核心燃烧区、提高粉煤粒度合格率、延长炉内停留时间等方法，将煤中热量充分释放，促进煤粉中固定碳的转化。

(2)有针对性地设计相应的煤气化装备，促进煤炭资源清洁高效利用。在配煤、磨煤、煤粉输送等备煤环节提高设备耐磨、耐冲刷、耐腐蚀性能，提高煤粉筛分能力，保证粉煤粒度合格率；在煤气化环节，从气化强度、热量回收、渣处理、水循环、粗煤气洗涤等方面提高装备处理能力，降低系统堵塞、结垢、腐蚀风险；在渣水处理和粗煤气净化环节，注重低品位热能回收与工艺指标的匹配。

(3)综合生产系统产品设计与工艺流程，提高装置的经济性。晋城煤气化所产粗煤气中CO含量高、H2含量低，结合厂区、园区及用户需要，缩短CO转化流程、选择合适的CO/H2，促进全系统节能，提高装置的经济性。

(4)重视设计、运行与管理等的配套，持续创新，保证装置长周期稳定运行。晋城煤与气流床气化工艺的适应，是一个需长期摸索并不断改进的过程，应重视设计、运行与管理的长期结合，对于存在的问题，不断攻克、持续创新，加强人、财、物等要素配套与投入，并针对晋城煤在气流床气化工艺中的应用开发新材料、新设备、新工艺、新技术，以保证气化装置的长周期、稳定、优质运行。