神东矿区气化用煤的煤灰黏温特性及调控试验研究

王 东 升

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

0 引 言

目前，煤炭在我国一次能源结构中仍占有主要地位，即在碳中和、碳达峰的背景下，煤炭的使用方式将由传统的燃料改变为燃料与原料并重，煤炭的清洁高效利用日益受到重视，而以煤气化技术为龙头的现代煤化工技术是煤炭清洁高效利用的重要途径之一[1]。气流床气化技术是先进的煤气化工艺之一，具有煤种适应性广、气化效率高、单炉处理量大等特点[2-3]。气流床气化炉采用液态排渣工艺，灰渣的黏温特性直接影响排渣性能以及气化炉内壁挂渣的厚度，进而影响气流床气化炉长周期安全稳定运行。为了保证气流床气化炉液态排渣过程的顺畅，一般以黏度为5～25 Pa·s 对应的温度区间作为气化炉的温度操作区间，在此温度区间内灰渣表现为较好的流动性。

气流床气化炉主要以优质的低变质程度烟煤为原料。神东矿区蕴藏着储量丰富的优质低阶煤资源，除了作为优质的动力煤销售以外还可用作化工原料煤，在灰分、硫分、反应性、供应稳定性等方面也具有较大的优势[4]。但部分神东矿区气化用煤的煤灰黏温特性不理想，易造成气化炉排渣不畅与能效下降，因此，研究神东矿区气化原料煤的煤灰黏温特性及进行调控试验有助于为典型气化炉的稳定运行提供基础数据支撑。

1 矿物质对煤灰特性影响及煤灰特性调控

1.1 煤灰特性概述

表征煤灰在高温下熔融、流动等特性的指标包括煤灰熔融性和煤灰黏温特性。其中，煤灰熔融性是燃料用煤和化工用煤的主要关注指标，可以此初步判断煤在燃烧转化过程中灰的软化、熔融和结渣特性等，但不能较好地表征煤灰在熔融过程中的流动特性[5]。而煤灰黏温特性能够较好地表征煤灰在不同温度熔融状态下的流动性质。

煤中无机矿物质在气化炉中的高温演化行为决定运行参数和生产的稳定性[6]。煤中矿物质在经历一系列复杂的物理化学变化后，以熔融状的液态渣在重力作用下沿气化炉壁排出，煤灰的熔融特性和黏温特性直接影响气化装置的稳定性。

根据不同温度下煤灰黏度的变化特征，灰渣形态一般可分为玻璃渣、塑性渣和结晶渣[7]。在气流床气化操作温度区间内，炉渣最好处于玻璃渣形态，且操作温度区间范围通常在50～150 ℃[8]；若在操作温度区间内炉渣属于塑性渣或结晶渣，则随着操作温度的波动，炉渣的黏度变化较剧烈，不利于气化炉的稳定生产[9]，且由此降低气化炉的碳转化效率，甚至造成停炉事故，给企业造成巨大的损失。

1.2 煤中矿物质对煤灰特性的影响

煤中的矿物质是除游离水分以外的煤中所有无机物的总称。目前，在煤中发现的矿物质种类已超过一百种，其中绝大多数含量较少，主要成分通常是黏土矿物、硫化物矿物、碳酸盐矿物、硫酸盐矿物和氧化物矿物等。矿物质经过燃烧或气化反应后主要以灰渣的形式呈现[10]。灰渣是1种比较复杂的无机混合物，在大多数研究中以及工业应用上均以氧化物的形式表示煤灰化学成分，一般包括SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、MnO2、Na2O、K2O、SO3等[11]。

煤灰熔融温度是气化用煤的1项重要质量指标，其温度高低取决于煤灰的组成及其含量[12]，目前大量对煤灰熔融温度的研究建立在其化学成分的基础上。按煤灰化学成分的自身特性可将其分为酸性氧化物(SiO2、Al2O3和TiO2)和碱性氧化物(Fe2O3、CaO、MgO、Na2O和K2O)，其中酸性氧化物通常起到提高煤灰熔融温度的效果，而碱性氧化物则通常起到降低煤灰熔融温度的作用[13]。

近年来，国内外学者就煤灰化学组成与煤灰黏温特性的相互关系进行大量研究。通常认为，SiO2在一定范围内能增加灰渣黏度。由于SiO2具有四面体结构，易与其他四面体结构相结合而形成煤灰渣熔体中的网络结构，因此煤灰中的SiO2含量越高，煤灰渣熔体中能形成的网络结构就越大，熔体内部质点运动的内摩擦力也就越大。Al2O3是典型的两性化合物，既可以是网络结构的形成体，也可是网络结构的修饰体，但视组分含量而定。

不同价态的Fe系氧化物对煤灰黏度的作用不同：在弱还原性气氛中，Fe系氧化物多以FeO形态存在，起到降低灰黏度的作用；在氧化性气氛下，铁元素以Fe3+形式存在，可以与硅氧四面体中的氧原子相连，增强网络体系，起到网络形成者的作用，增强灰黏度。碱金属和碱土金属氧化物(CaO、MgO、Na2O、K2O)总体上能起到降低煤灰黏度的作用。因而不同煤灰成分对于煤灰黏度的影响不能仅进行孤立分析，在研究时应充分了解各个成分相互之间的影响。

1.3 煤灰特性调控

配煤和添加助熔剂是调控煤灰特性的主要方法[14]。添加助熔剂(如CaCO3)能够起到调整煤灰特性的作用，由于助熔剂多为无机物，因而会增加原料煤的灰分、降低气化效率及发生助熔剂混合不均匀等问题。同时配入不同矿物组成的原料煤以改变煤中矿物组成和含量，从而改善煤灰特性、减少气化炉的排渣量、降低氧耗、实现煤质互补及优化产品结构[15]。为了保障气流床气化炉顺利排渣与工况稳定，有必要针对原料煤的煤灰特性以及矿物组成而采用适当的技术手段对其进行调控，从而提高气化炉的转化效率。

2 煤灰黏温特性及调控试验研究

2.1 原料煤

选择神东矿区典型的化工原料煤即气化用煤A和煤B，分析其煤质特点及煤灰特性，通过试验研究配煤对煤灰特性调控的可行性。

2.2 主要实验设备

煤灰黏温特性测试设备采用自行研制的煤灰高温黏度测定仪(图1)，可采用间歇法或连续法进行测试，测试设备、测试条件及测试结果均能满足国家标准GB/T 31424—2015《煤灰黏度测定方法》的要求。另外，试验还采用扫描电镜、灰熔融性测定仪及其他指标的测试设备。

图1 煤灰高温黏度测定仪Fig.1 High temperature viscosity tester for coal ash

2.3 结果分析

(1)煤A、煤B的测试结果见表1～4，表明2种煤均具有特低灰、特低～低硫、中高挥发分的特点。其中，煤C为煤A、煤B按1：1配比的配合煤，煤A的灰分、全硫含量略低于煤B，煤A、B对二氧化碳的反应性均较高。

表1 神东矿区气化用煤的工业分析及全硫测定结果Table 1 Industrial analysis and total sulfur of gasification coal in Shendong mining area

表2 神东矿区气化用煤对二氧化碳的反应性Table 2 Coal reactivity to carbon dioxide of gasification coal in Shendong mining area

(2)在煤灰特性方面，煤A、煤B的灰熔融性温度均较低，煤灰熔融性流动温度(FT)低于1 250 ℃，与5～25 Pa·s 对应的温度区间均超过120 ℃，基本符合液态排渣气化工艺对原料煤的要求。① 煤灰成分。SiO2含量通常较高，Al2O3含量略低，酸性氧化物含量偏低，而碱金属氧化物中CaO、Fe2O3含量均比较高，此为2种煤煤灰熔融性温度均较低的原因，煤A灰中CaO含量达到27.56%，其单独存在时熔融温度较高(在2 570 ℃左右)。当煤灰中CaO含量达到一定数值时，煤灰的熔融温度反而会有所提高，此为煤A的煤灰熔融性温度高于煤B的主要原因。② 煤灰黏温特性。煤A和煤B的煤灰黏温曲线以塑性渣为主，煤B的灰黏度略高于煤A，因前者的SiO2与Al2O3总含量相对较高。煤B在1 320 ℃时对应的黏度发生突变，据分析是煤灰中CaO较高之故。因CaO具有稀释熔渣的作用，但CaO达到一定量后则过多的Ca2+游离在硅铝酸盐的熔体网络中易发生结晶，导致煤灰黏度增加。

(3)利用扫描电镜矿物分析煤A和煤B中的矿物类型和分布形态。煤中主要矿物包括黏土矿、方解石、黄铁矿、菱铁矿和石英，其中黏土矿以伊利石为主，高岭石含量较少。煤B中的伊利石含量略高于煤A的相应含量，煤A中的方解石含量略高。

神东矿区气化用煤中的典型矿物主要涵括伊利石、方解石、菱铁矿、黄铁矿，其分布形态如图2所示，其中伊利石多以典型的片层状或致密块状独立赋存，方解石通常填充于煤的裂隙或有机质组分中的结构孔隙中，菱铁矿以块状、结核状赋存为主，黄铁矿则多为填充于孔隙的无定形状态。

煤A和煤B按照1∶1比例混配后，其煤灰成分、煤灰黏温特性的测试结果分别见表3、4，黏温曲线变化如图3所示。配合煤的煤灰成分和煤灰熔融性温度总体上介于煤A和煤B之间，配合煤的煤灰黏温特性与煤B相比则有所改善，25 Pa·s对应的温度下降幅度较大，气化操作窗口温度区间变大。

表3 神东矿区气化用煤的煤灰成分及煤灰熔融性温度Table 3 Coal ash composition and fusibility temperature of gasification coal in Shendong mining area

表4 神东矿区气化用煤的煤灰黏温特性Table 4 Coal ash viscosity-temperature characteristics of gasification coal in Shendong mining area

图3 原煤及配合煤的黏温曲线变化Fig.3 Variation of viscosity-temperature curve of raw coal and blended coal

3 结 论

(1)神东矿区典型气化用煤属于优质的侏罗纪煤，具有特低灰、低硫、中高挥发分、反应性高等特点，煤灰熔融性温度均较低，煤A和煤B的煤灰黏温曲线以塑性渣为主，与5～25 Pa·s对应的温度区间均在120 ℃以上，符合液态排渣气化工艺对煤灰黏度的要求。

(2)神东矿区典型气化用煤中的主要矿物包括黏土矿、方解石、黄铁矿、菱铁矿和石英，其中黏土矿物以伊利石为主，高岭石含量较少。其中伊利石多以典型的片层状或致密块状独立赋存，方解石通常填充于煤的裂隙或有机质组分中的结构孔隙中，菱铁矿以块状、结核状赋存为主，黄铁矿多为填充于孔隙的无定形状态。

(3)煤灰黏温特性主要受煤中矿物质类型、含量以及赋存形态影响。我国各产煤地区的成煤时代、成煤条件千差万别，煤灰熔融性和煤灰特性也存在较大差异，通过配入不同矿物组成的煤能够改善原煤的煤灰特性。为了保障气流床气化炉顺利排渣及工况稳定，对神东矿区典型气化用原料煤的煤灰特性以及矿物组成采用适当的技术手段对其进行调控，可调控煤灰特性及提高气化炉的转化效率，从而增加企业的经济效益。