神华煤在航天炉干煤粉气化中的适应性研究

谷红伟，刘 臻，孙凯蒂，彭宝仔

(1.国能销售集团有限公司，北京 100011；
2.北京低碳清洁能源研究院，北京 102209)

煤炭气化作为一种清洁的煤炭转化方式，是实现煤炭高附加值综合利用的重要技术单元和主要手段。根据国家统计局数据，煤炭从2010年至2021年间在我国一次能源消费结构中的比重从69.2%降至56.0%，占比仍过半。因此，预计未来几十年，我国煤炭将继续发挥能源系统的“压舱石”和“稳定器”作用。然而，在“双碳”背景下，煤炭“粗犷式”的直接燃烧利用必将受到限制，“精细化”煤炭清洁高效转化是必然趋势。2021年12月中央经济会议也明确规定“新增可再生能源和原料用能不纳入能源消费总量控制”，这意味着可能未来用作化工原料将成为我国煤炭的主要利用途径。

煤气化是煤化工的龙头技术，煤气化技术的先进性对煤化工整体技术的效率、成本和发展有重要影响[1]。自20世纪50—60年代以来，我国煤气化技术开发工作取得实质性进展，形成了固定床、流化床和气流床三大工业成熟应用的气化技术[2，3]，以及等离子体气化、催化气化和地下气化等新型气化技术[4-6]。尤其是在气流床气化技术方面，形成了多喷嘴对置式水煤浆/粉煤气化、航天炉粉煤加压气化技术、SE粉煤加压气化等具有自主知识产权的先进煤气化技术[7，8]。干煤粉气化因其清洁、高效、原料覆盖广等优势，已成为国家重点推广的洁净煤利用技术，航天炉作为国内煤粉气化的代表之一[9]，在国内煤化工项目中有广泛的应用。航天炉具有原料煤适应性强，开停车时间短，负荷增减快，可进行全程安全监控等显著优势[10，11]，是煤炭清洁利用的优选技术。本文拟通过对航天炉使用或试烧的煤种特性进行分析和总结，结合对产自燕家塔、大柳塔和巴图塔的3种神华煤的工业分析和灰熔融特性分析，探讨其作为航天炉气化原料的适应性，为3种神华煤寻找技术经济性优良的气化技术，对实现神华煤的清洁高效利用具有重要意义。

不同气化工艺对煤种的适应性不同[12，13]，例如干煤粉气流床气化技术采用水分含量高的褐煤作为原料时，需要预先干燥；
液态排渣气化技术采用灰熔点较高的煤作为原料时，会导致炉温升高，不利于气化炉的稳定，需要添加助熔剂降低灰熔点。目前还没有能广泛适应各煤种的煤气化技术，因此研究航天炉对煤种的适应性，对筛选合适的气化原料至关重要。

航天炉粉煤加压气化技术采用干粉进料，煤粉颗粒 20～90μm，采用惰性气体(氮气或二氧化碳)输送，气化压力 3～4MPa，炉膛操作温度1400～1850℃，采用单烧嘴下行制气。作为自主知识产权干粉气化技术，航天炉的突出特点是设备国产化率高，广泛适用于各类煤化工项目。航天炉对煤种的适用性较广，适用的原料包括粒径85μm、水分为1.8%、灰分为12%的褐煤，粒径90μm、水分为1.5%、灰分为15%的烟煤，粒径80μm、水分为1.0%、灰分为25%的无烟煤[14]。一般要求原料煤的灰组成中金属氧化物的含量(质量占比)为Na2O：0.1%～3.1%，K2O：0.1%～3.3%，CaO：1.2%～23.7%，Fe2O3：5.9%～27.8%，Al2O3：9.5%～32.6%，SiO2：24.9%～58.9%[15]。

1.1 使用和试烧的典型煤种

通过调研安徽昊源化工[16]、新疆中能万源化工[17，18]、新乡中新化工[19]、河南晋开化工[17]、天溪化工[16]、山东瑞星化工[16]、安徽晋煤中能化工[20]等多个化工项目中航天炉应用或试烧的煤种数据，选取了其中13种典型煤质数据进行统计分析，结果见表1。航天炉适宜的煤种主要是烟煤和无烟煤，代表性的煤种有顺达煤、神华煤、保利煤、长平煤、寺河洗末煤、凤凰高硫煤等。

表1 航天炉使用和试烧过的典型煤种

1.1.1 烟煤

烟煤是航天炉应用最广泛的煤种，主要可分为两类，一类是以产自陕西神木地区的神华煤为代表的理想烟煤，一类是产自新疆、内蒙古、山西等地区的烟煤。神华煤的灰分中等(15%～25%)，在气化过程中能产生一定的渣量，起到“以渣抗渣”的作用；
灰熔点在1200～1350℃，气化炉操作温度适中；
挥发分在25%～35%，煤种的反应活性较高。神华煤在航天炉中运行稳定，在安徽昊源化工等多个项目中都得到应用，常将与其他煤种进行掺混使用，在维持气化炉操作稳定性的前提下尽可能降低原料成本。神华煤气化性能好、冷煤气效率高，由于粘温曲线较陡，灰分的粘度随温度的变化比较敏感[21]，炉膛温度波动易造成渣层的变化，通过控制炉膛在较低的操作温度下运行，能够保证气化炉的稳定性。航天炉试烧过的新疆地区的烟煤具有发热量高、含硫低、含灰低(10%以下)的特点，与神华煤的性质接近，其中顺达煤的黏温特性稍差，圣雄煤的黏温特性较好，圣雄煤更适用于液态排渣的气化炉。新乡中新化工采用的彬县煤、下沟煤和黄陵煤属于年代相对老的烟煤，灰分含量在10%～25%，挥发分含量略低，在30%左右，灰熔点流动温度在1350℃左右。

1.1.2 无烟煤

河南晋开项目采用的寺河洗末煤和天溪化工项目采用的凤凰高硫煤都是典型的无烟煤。其中寺河洗末煤灰分含量低，固定碳含量高，挥发分含量低，反应活性较差；
凤凰高硫煤属于高灰高硫煤，灰分达到了36%以上。这两类无烟煤的灰熔点都在1500℃以上，采用航天炉气化技术时必须通过添加石灰石助剂或者掺混其他低灰熔点的煤来维持气化炉的稳定性。通过向寺河洗末煤添加质量分数为4%的石灰石，可以将灰熔点降低到1350℃左右，向凤凰高硫煤添加3%的石灰石，灰熔点能够降低到1380℃左右，从而满足航天炉操作温度的要求。

1.1.3 掺混煤

为了最大限度的实现高产低耗，采用航天炉的化工企业常将神华煤与其他适应性差一点的烟煤或无烟煤进行掺混作为气化原料，并且通过摸索找出最适合的掺混配比。掺混煤的灰分在9%～25%之间，挥发分在10%～35%之间，灰熔点流动温度1250～1350℃。

1.2 典型煤种的气化特性

1.2.1 烟煤的气化特性

神华煤作为航天炉的理想原料，运行工况稳定，炉膛挂渣效果较好，炉膛温度适宜，有效气的含量达到92%，残碳含量在3%以下。新疆顺达煤气化工况整体稳定，但黏温特性稍差，不利于水冷壁的挂渣，导致炉膛温度波动较大(500～1100℃)，煤不能完全燃烧，粗渣残碳高，达到5.5%。圣雄煤黏温特性好，运行工况稳定，有效气含量88.4%，粗渣残碳含量2.4%，是航天炉较为理想的原料煤之一。彬县煤、下沟煤和黄陵煤等年老烟煤灰熔点较高，不易在水冷壁上形成渣层，炉温波动大，煤在气化炉内燃烧不充分，残碳较多，粗渣中的残碳达到20%以上。

1.2.2 无烟煤的气化特性

河南晋开项目和天溪化工项目都试烧过晋城无烟煤[22，23]，晋城无烟煤可磨性差，导致入炉粉煤的合格率低，其气化过程还存在氧气消耗大、有效气含量低、灰渣含碳量高、渣水系统结垢堵塞严重等问题，不利于长周期稳定运行。通过向寺河洗末煤添加助熔剂能够实现气化过程的平稳运行，气化后的粗煤气有效气含量能够达到83%左右，粗渣残碳量在3%左右，气化炉。天溪化工项目的设计原料是“三高煤”，因此采用凤凰高硫煤作为气化原料运行稳定，粗煤气中有效气含量也在83%左右，粗渣残碳在3%以下，气化炉炉膛没有超温现象，气化炉挂渣良好。

1.2.3 掺混煤的气化特性

安徽晋煤中能化工采用神华煤分别与山西长平煤、新疆保利煤掺混作为航天炉的气化原料，掺混煤的燃烧差异主要表现在对气化炉的温度控制、水冷壁的挂渣和炉内的反应活性上。2种掺混煤气化后的有效气的含量在82%～86%，粗渣残碳量小于3%，滤饼中残碳含量在20%～30%。神华煤的掺混比例较大时，入炉煤量低，运行工况稳定，操作弹性大。随着神华煤掺混比例的降低，炉温开始不易控制，煤耗上升、滤饼中残碳含量增加、碳转化率下降，严重时，还会导致灰水的水质变差。根据试烧结果，掺混比例为神华煤∶保利煤=7∶3、神华煤∶长平煤=7∶3时，航天炉的运行工况及各项工艺指标稳定，操作温度可以控制在1350～1450℃。从试烧的经验总结来看，要保证以掺混煤为气化原料时航天炉的运行稳定性，必须改进配煤方式，提高掺混煤的均质化程度。

表2 典型煤种的航天炉气化指标

2.1 神华煤的煤质特点

神华煤是具有中高挥发分、高发热量、低灰低硫的烟煤，作为气流床气化的煤种具有很大的灵活性和高效性。基于目前已开发的3种神华煤气流床气化用煤品种，选取燕家塔、大柳塔和巴图塔矿点神优系列煤种进行了煤质特性分析，结果见表3。神优1号—3号的挥发分均在30%左右，反应活性较强，反应时间短，有利于煤种在气化炉的完全燃烧；
灰分均低于10%，灰分含量低有利于气化炉整体效率的提高，但是不利于在水冷壁上形成渣层，难以满足“以渣抗渣”的要求，不利于气化炉的稳定；
硫的含量均≤0.4%，有利于后续合成气的净化处理。神优2号和神优3号的灰熔点流动温度纸于1200℃，与航天炉适宜煤种的1200～1350℃相比，略偏低，神优1号的灰熔点较为合适。

表3 神华煤的煤质特性

2.2 神华煤的航天炉气化适应性分析

2.2.1 工业分析数据

神优1号—3号煤种均为烟煤，因此选择与航天炉试烧的烟煤的工业分析结果进行对比，结果如图1所示。从分析结果来看，试烧煤种的水分较低，大部分在6%以下，神优3号煤种的水分含量偏高，磨煤干燥时的能耗可能略高，另外，内水偏高可能会影响布袋除尘器的使用寿命。试烧煤种的灰分一般在0.6%～15%，挥发分在26%～38%，固定碳在47%～62%，神优1号—3号的灰分、挥发分和固定碳的范围均在适宜的范围内。因此，从工业分析数据来看，神优1号—3号煤种作为航天炉的气化原料有较好的适应性。

图1 航天炉试烧的烟煤与神优1号—3号的工业分析数据对比(%)

2.2.2 灰渣熔融特性

航天炉试烧的烟煤与神优1号—3号的灰熔点温度对比如图2所示，航天炉一般要求入炉煤的灰熔点流动温度在1200～1350℃的范围内，从图2可以看出航天炉试烧的烟煤的流动温度(FT)基本都在该范围内。神优1号的FT为1308℃，符合要求，神优2号和神优3号的FT均小于1200℃，有些偏低。另外，FT-DT差值也是判断气化炉操作稳定性的重要指标，差值越大，操作窗口越宽，有利于维持气化炉的稳定。航天炉试烧烟煤的FT-DT差值基本在50～130℃之间，神优1号—3号的FT-DT差值分别为168℃、18℃和53℃，推测神优2号煤试烧操作窗口偏低。神优2号和神优3号的灰熔融特性与顺达煤比较接近，根据顺达煤的试烧结果，单独以神优2号或神优3号作为航天炉的原料，不利于气化炉的稳定。相比之下，神优1号煤种作为航天炉的原料，适应性更强。此外，航天炉对灰渣的黏温特性要求较高，在气化炉排渣温度下，要求煤灰黏度在2～50Pa·s，同时要求其对应的温度区间大于100℃[24]。因此，考察神优煤1号在航天炉上的适应性，还需要进一步分析其灰渣黏温特性，考虑是否通过添加助剂的方式改变煤种的黏温特性。

图2 航天炉试烧的烟煤与神优1号—3号的灰熔点温度对比

对航天炉试烧的十几种煤按照烟煤、无烟煤和掺混煤进行分类，对比了各类煤种的煤质特点及其气化特性。根据统计结果航天炉粉煤加压气化技术有着广泛的煤种适应性，尤其以神华煤为代表的烟煤有较好的气化效果，同时高灰熔点的无烟煤通过添加助剂或者与低灰熔点的煤掺混的方式也可以作为航天炉气化原料。将3种产自燕家塔、大柳塔和巴图塔矿点的神华煤(神优1号—3号)的煤质分析数据与航天炉试烧的烟煤进行对比分析，从工业分析数据来看，神优1号—3号均可以作为航天炉的原料，但是神优2号和3号的灰熔点偏低，可能需要掺混灰熔点高的煤种来提高气化的稳定性。此外，为分析煤种在气化炉内的结渣特性，还需要在本研究的基础上进一步对煤种的黏温特性进行详细研究。