煤成分对Shell煤气化工艺的影响

煤成分对 Shell煤气化工艺的影响 3 项爱娟 (河南中原大化集团有限责任公司 　濮阳 　457004) 摘要 　介绍了工业上体现煤成分的工业和元素分析所包含的分析项目和元素组成 ,并分析了它们对 Shell煤气化工艺的影响情况。 关键词 　煤 　成分 　Shell煤气化工艺 　影响 Effect of Coa l Com position on Shell Coa l Ga sif ica tion Process Xiang A ijuan Abstract　A p resentation is given of the analytical item s and elementary composition included in industrial and elementary analysis, which reflect the coal composition, and an analysis is conducted of their effect on the Shell coal gasification p rocess. Keywords　coal　composition　Shell coal gasification p rocess　effect 　　近年来 ,国内先后引进了 10多套洁净利用煤 炭资源的 Shell煤气化工艺 ,除湖北双环已在运行 外 ,其它尚在筹建中。虽然 Shell煤气化工艺对煤 种适应性较广 ,气化炉对活性与灰融性温度相适 宜 ( < 1 500 ℃)的煤都能很好地气化 ,但该工艺 对煤种仍有一定的要求 ,不同的煤质对 Shell气化 炉和相关设备的设计、操作和经济运行密切相关。 煤是由多种有机物和矿物质组成的复杂混合 物 ,许多有机物无法详细分析确定 ,而只能“集中 说明 ”。这种“集中说明 ”体现在工业上便是采用 2种最重要和最普通的分析 ,即工业分析和 元素分析 ,分析所得结果是用以征煤的化学组 成和性质的最基本数据。因此 ,本文着重介绍这 2种分析方法所包含的分析项目和元素组成及它 们对 Shell煤气化工艺的影响情况。 1　 煤工业分析包含的项目及对 Shell煤气化工 艺的影响 根据 GB3715—1983,煤的工业分析是指煤的 水分 (M )、灰分 (A )、挥发分 (V )及固定碳 ( FC) 4 个分析项目的总称。 1. 1　煤的水分及其对 Shell煤气化工艺的影响 1. 1. 1　煤的水分 煤的水分包括游离水和结晶水 ,游离水又可 分为外在水分和内在水分。外在水分是指附着于 煤的颗粒表面的水膜或大的毛细孔 (直径 > 10 - 5 cm )中的水分 ,其蒸汽压与纯水的蒸汽压相同 ,在 常温下就很容易失去。内在水分是指吸附或凝聚 在煤颗粒内部毛细孔 (直径 < 10 - 5 cm )中的水分 , 由于毛细孔的吸附作用 ,其蒸汽压低于纯水的蒸 汽压 ,要在高于纯水的正常沸点的温度下才能除 尽 ,所以较难蒸发除去。结晶水是指煤中矿物质 所含的结晶水或化合水 ,通常要在 200 ℃以上才 能析出 ,在工业分析中不予考虑。 1. 1. 2　煤的水分对 Shell煤气化工艺的影响 Shell煤气化工艺采用干煤粉进料 ,要求进气 化炉的煤粉水含量低于 2%。就气化炉而言 ,在 特殊情况下 ,煤粉水含量允许稍高于该值 ,但不能 偏离太多 ,否则会影响粉煤流化 ,极可能出现煤粉 粘连而造成输送困难。原料煤的水分含量通常高 于 2% ,过剩水分在制备 Shell气化炉所要求的合 格粉煤过程中除去。因此 ,原料煤的水分含量 ,尤 6 第 33卷 　　　　　　　　　　　　　　　化肥工业 　　　　　　　　　　　　　　第 6期 3 本文作者的联系方式 : lp tao@ etang. com 其是外在水分含量 ,直接影响煤的运输成本和制 粉能耗。 1. 2　煤的灰分及其对 Shell煤气化工艺的影响 1. 2. 1　煤的灰分 煤的灰分是指煤的内在矿物质和外来矿物 质 ,内在矿物质又分原生和次生矿物质。原生矿 物质是指原始成煤植物含有的矿物质 ,一般不超 过 1% ～2% ;次生矿物质是指在成煤过程中进入 煤层的矿物质 ,约在 10%以下。外来矿物质是指 采掘过程中混入煤中的矸石 ,约 5% ～10% ,高的 在 20%以上。 (1) 煤灰的化学组成 煤灰主要由 SiO2、A l2 O3、Fe2 O3、CaO、MgO、 TiO2、Na2 O、K2 O等酸性和碱性的化学组分组成 , 一般酸性组分高于碱性组分 , ( Fe2 O3 + CaO + MgO + K2 O + Na2 O ) / ( SiO2 + A l2 O3 + TiO2 )的比 值称为碱酸比。 (2) 煤灰的熔融性及熔化后的粘性 由于煤灰是由许多化合物组成的混合物 ,没 有一个固定的熔点 ,只有一个相当宽的熔化温度 范围 ,煤灰成分在一定温度下能形成共熔体。 将煤灰与糊精混合 ,塑成一定大小的三角形 锥体 ,加热可测得煤灰变形温度 ( T1 )、软化温度 ( T2 )、呈半球温度 ( T3 )和流动温度 ( T4 ) ,工业上 一般选软化温度 T2 作为衡量煤灰熔融性的主要 指标。煤灰的熔融性与煤灰的化学组成之间的关 系最密切 ,灰分中酸性成分比例越大 (即碱酸比 越小 ) ,熔化温度范围就越高 ,反之越低。按照煤 灰分熔融温度高低 ,煤一般分为易熔灰分 ( T2 ≤ 1 100 ℃)、中等熔融灰分 ( T2 为 1 100～1 250 ℃)、难熔灰分 ( T2 为 1 250～1 500 ℃)和耐熔灰 分 ( T2 > 1 500 ℃)。 除熔融温度外 ,煤灰熔化后的粘度及粘度与 温度的关系也是重要指标。对于液态排渣的工业 锅炉 ,正常排渣要求的粘度为 5～10 Pa·s,最高 不超过 25 Pa·s,灰熔融体在重力作用下停止流 动的粘度约为 100 Pa·s。 1. 2. 2　煤灰组分对 Shell煤气化工艺的影响 (1) 煤灰含量的影响 煤灰是煤中的惰性物质 ,其含量和组成对气 化反应本身影响不大 ,但灰分高的煤在气化过程 中产生的灰渣量增加 ,势必带走部分潜热 (碳 )和 显热 ,使煤的热效率降低。且煤中灰分含量越高 , 原煤运输成本越大 ,气化煤耗、氧耗越高 ,气化炉 和灰渣处理系统负荷越重 ,严重时会影响气化炉 的正常运行。煤灰中某些组分含量过高会影响煤 灰的熔融特性 ,造成气化炉渣阀排渣不畅或堵塞。 Shell煤气化炉采用水冷壁结构 ,利用煤气化 反应初期熔融飞灰在壁上形成固体渣层使膜式壁 与炉膛隔离 ,以减少热量损失 ,同时在故障期间热 负荷变化大时首先造成固体渣层被熔化或者加 厚 ,从而保护炉壁免受损坏。如果煤中灰分含量 太低 ,固体保护渣层形成不好 ,使气化炉的热损变 大 ,冷煤气效率降低 ,而且不利于炉壁的抗渣保 护 ,影响气化炉使用寿命。 尽管 Shell煤气化工艺对煤灰含量要求不是 很严格 (煤灰含量可高达 30%以上 ) ,中原大化集 团有限责任公司根据预选煤的情况 ,其设备设计 按无水基煤灰含量 25. 5% (收到基 23. 5% )的煤 进行设计。根据荷兰 DEMKOLEC电厂实际运行 经验 ,该工艺最优化的煤灰含量为 9% ～19% ,当 煤中灰分含量低于 8%时 ,中压蒸汽量将会增加 , 也就表明膜式壁固体保护渣层极可能形成不理 想 ,将出现不是期望的运行情况。所以 ,当飞灰含 量低于 8%时 ,建议执行飞灰强制循环作业。如 果投产后实际煤灰含量偏高设计值较多 ,限制气 化炉负荷的瓶颈将是除灰和除渣系统的处理能 力。 (2) 煤灰熔点及渣粘性的影响 煤中灰分含量和成分虽然对煤气化反应本身 影响不大 ,但还必须保证适宜的煤渣流动 (粘 度 ) ,所以灰分 ,尤其是灰分成分 ,对所要求的 Shell气化温度有主导影响。Shell煤气化属熔渣、 气流床气化 ,为确保灰分熔化、气化炉排渣顺畅 , 气化操作温度要高于 T4 100～150 ℃。选用 T4 温 度低的煤对 Shell煤气化排渣有利 ,最好选用中低 灰熔点的煤。如果煤灰熔点温度过高 ,势必要求 提高气化温度 ,影响气化炉的运行经济性 ,也不利 于排渣。故对高灰熔点的煤 ,可以通过添加助熔 剂调节煤灰的碱酸比例以改变煤的熔融特性 ,从 而保证气化炉的正常运行。对助熔剂及加入量的 选择 ,要结合煤灰组成进行。 根据预期选用的煤种 ,并结合低成本原则 ,中 原大化集团有限责任公司选择以石灰石 (碳酸 7 第 33卷 　　　　　　　　　　　　　　　化肥工业 　　　　　　　　　　　　　　第 6期 钙 )形式提供的 CaO作为助熔剂。添加助熔剂将 或多或少增加运行成本和建设投资 ,但可以通过 降低气化炉操作温度、节约氧耗和煤耗来补偿。 中原大化集团有限责任公司助熔剂加入量 ,采用 煤灰分中不超过 25%的助熔剂比例 (利用灰分中 CaO的百分率定义 )来设计。 总之 ,对于液态排渣的 Shell煤气化炉 ,选择 灰熔融温度低和灰渣流动性好的煤对生产有利。 1. 3　煤的挥发分及其对 Shell煤气化工艺的影响 1. 3. 1　煤的挥发分 煤样在隔绝空气的条件下加热至一定温度并 恒温一定时间 ,煤中受热分解析出的有机质即为挥 发分。挥发分与水不同 ,它不是煤中的固有物质 , 而是在特定条件下煤受热后挥发出的有机质及其 分解的产物 ,其数量和成分随加热条件而变化。 1. 3. 2　煤的挥发分对 Shell煤气化工艺的影响 挥发分是煤加热后挥发出的有机质及其分解 产物 ,能大致代表煤的变质程度。一般而言 ,挥发 分越高 ,煤化程度越浅 ,煤质越轻 ,反应活性越好 , 对气化反应越有利。但由于 Shell煤气化采用高 温气化 ,气体在炉内的停留时间比较短 ,所以气固 之间的扩散反应是控制碳转化的重要因素 ,因而 对煤粉粒度要求较高 ,而对挥发分及反应活性要 求不是很严格。 1. 4　煤的固定碳及其对 Shell煤气化工艺的影响 1. 4. 1　煤的固定碳 固定碳是指从煤中除去水分、灰分和挥发分 后的残留物。与挥发分一样 ,固定碳不是煤中的 固有成分 ,而是热分解产物 ,不仅含有碳 ,还包含 氧、氮、氢、硫和氯等元素 ,所以它与煤中碳含量的 概念不同。 1. 4. 2　煤的固定碳对 Shell煤气化工艺的影响 煤的固定碳含有多种元素 ,每种元素对 Shell 煤气化工艺都存在一定的影响 ,因而在元素分析 组成中讨论各元素对该工艺的影响情况。 2　 煤元素分析所包含的组成及部分组成对 Shell煤气化工艺的影响 2. 1　煤元素分析所包含的组成 煤元素分析提供煤的基本成分度量 ,指出煤 中用于气化反应和转化为气相的每种有机成分的 量。通常煤的元素组成实际上仅指有机质的元素 组成 ,主要由碳、氢、氧、氮和硫 5个元素组成 ,元 素分析也可包括氯和其它元素。 2. 2　煤元素组成对 Shell煤气化工艺的影响 (1) 碳、氢含量 碳、氢是煤被燃烧、气化生成合成气的主要反 应元素 ,碳、氢含量高 ,相对煤耗低。 (2) 氧含量 原煤特性影响碳转化的首要因素是煤中的氧 含量。在实际操作中 ,设计煤要求的正常气化温 度 (1 500～1 700 ℃)由氧气和煤 (即煤中的碳 ) 的比率来控制和保证。所以 ,如果实际原煤中氧 含量低 (属正常 ) ,较多的氧将通过气化剂强射流 (氧气和蒸汽 )提供 ,即氧耗增加。为防止 CO过 多转化为 CO2 ,总氧耗在多数情况下要稍低一些。 (3) 硫含量 煤中硫以天然硫化铁、有机硫和硫酸盐形式 出现 ,有机硫可能占总量的 20% ～80%。煤中硫 在气化环境中形成 H2 S和 COS,随合成气进入后 系统 ,如果硫含量过高 ,会给后工序的煤气净化及 脱硫带来负担 ,并直接影响煤气净化系统设备的 材料选择、投资成本及运行成本。所以 ,对煤中硫 含量的选择 ,应结合净化装置的设计及投资综合 考虑。 (4) 卤化物和微量元素 氯等卤化物和其它微量元素作为无机物 (例 如灰分中的 NaCl)处理 ,不进入气相 ,除了潜在的 结渣问题外 ,对气化反应没有影响 ,所以中原大化 集团有限责任公司的合成气冷却器基于氯化物和 氟化物的共有含量 < 0. 1%设计。由于渣中含有 氯化物 ,所以 Shell煤气化除渣系统设备选材为耐 腐蚀的双相钢。其它元素与甲醇项目下游的水处 理系统的设备有关。 3　结语 Shell煤气化工艺是我国引进国外的先进技 术 ,为洁净利用煤炭资源的技术之一 ,消化和吸收 该技术对我国发展新型煤化工和合理利用煤炭资 源有重要意义。随着我国各地相继引进该技术 , 将有更多的技术人员转向该工艺的操作和技术管 理 ,期望本文能对 Shell煤气化工艺的了解和掌握 以及对今后的试投产操作和优化运行提供参考。 (收稿日期 　2006 - 08 - 15) 8 第 33卷 　　　　　　　　　　　　　　　化肥工业 　　　　　　　　　　　　　　第 6期