Shell煤气化属于第二代煤气化技术, 以煤粉为原料, 采用气流床加压气化、液态排渣的形式。煤质的变化对Shell煤气化装置的稳定运行有直接影响, 保证入炉煤质符合要求[1], 才能确保装置的稳定运行。煤质的黏温特性是Shell煤气化入炉煤质选择判断的一项重要指标, 它是指煤的灰分在不同温度下熔融时, 液态灰渣所表现的流动性。是黏度与温度之间的关系特征, 黏度指数高, 说明黏度随温度变化小, 其黏温特性好。
1 煤质黏温特性的影响因素
1.1 煤灰渣组成
影响煤质黏温特性主要因素是煤灰渣的组成, 煤灰渣主要成分为Si、AI、Ca、Fe、Mg、Na、K、Ti、S、P等元素的氧化物及其盐类。其中Fe2O3、Ca O、Mg O、K2O、Na2O属碱性组分, Si O2、Al2O3、Ti O2属酸性组分。酸性组分与碱性组分的比值为酸碱比, 一般而言, 比值增大, 煤的灰熔融性温度升高, 黏度增大, 反之降低减小。通过研究得知Si O2、A12O3、Ca O、Fe2O3是影响煤质黏温特性的主要因素。Si O2含量高灰渣黏度就高[2], 但对灰熔点的影响是不确定性的。原因是Si O2在煤灰中主要以非晶体存在, 在高温情况下易与金属氧化物和非金属氧化物生成低温共熔体, 使灰熔点降低。当Si O2含量较多时, 会有游离的Si O2存在, 致使灰熔点升高。A12O3对灰渣黏度影响不大, 但因A12O3有牢固晶体结构, 熔点较高, 在煤灰熔融过程中起骨架作用, 所以煤灰中A12O3含量越高, 煤灰熔点[3]越高。Ca O属于碱性氧化物, 有降低黏度的作用, 但因自身为一种高熔点氧化物, 又能与其它矿物质形成低温共熔体[4], 所以灰熔点随煤灰中Ca O含量的增加先降低后升高。煤灰中的Fe2O3含量越高, 一般情况下灰渣的黏度及灰熔点就越低。同时, 因煤灰成分复杂, 各组分含量变化较大, 因而煤质的黏温特性与煤质成分间存在一种不确定的数量关系, 具体的还要借助黏温特性曲线来作为参考。
2 煤质黏温特性对Shell煤气化的影响
2.1 Shell煤气化对黏温特性的要求
煤质黏温特性的好坏是气化炉长周期稳定运行的关键, Shell煤气化工艺要求入炉煤质的最佳灰渣黏度范围为2-25Pa·s, 操作温度为1400℃-1700℃[5], 以保证气化炉顺利的排渣和挂渣, 不出现堵渣及耐火材料侵蚀现象, 同时具有较高的碳转化率。这就使得Shell煤气化入炉煤质的黏度随温度变化小, 灰渣温度在1400℃-1700℃范围时, 灰渣黏度保证在2-25Pa·s的范围内。图1 所示是我公司试烧过3 种混煤的黏温特性特性曲线, 从图中可以分析出C混 B是比较适合Shell煤气化的煤种, 实际试烧情况也证明了这一点。
2.2 堵塞渣口
Shell气化炉属于液态排渣形式, 由于煤质黏温特性差, 气化炉膜式水冷壁上的液态渣在流动过程中随着温度的降低, 黏度直线上升, 灰渣流动性减弱, 则会导致大量的熔渣在气化炉出渣口处累积, 轻则会在渣口及渣池内形成大渣块, 造成排渣困难, 影响顺利排渣。重则渣块堵塞排渣口, 造成系统停车。
2.3 侵蚀耐火材料损坏内件
煤质的黏温特性差, 为保证顺利排渣, 这就需要提高温度来降低黏度。但炉膛温度的提高, 会使炉壁渣黏度降低, 渣流动性变强。导致气化炉膜式水冷壁固定渣层厚度减薄, 熔渣因流动速度过快而失去对水冷壁的保护作用, 无法实现“以渣抗渣”。造成耐火材料的侵蚀, 同时高速合成气流对气化炉内件的冲刷磨蚀还会加剧, 严重缩短气化炉膜式水冷壁的使用寿命。
2.4 增加氧耗煤耗降低有效气体含量
因煤质黏温特性差, 为顺利排渣, 就需要提高O/C, 以提高气化炉温度, 降低灰渣黏度。这样就导致需要更多的O2与C反应生成CO2来提供热量, 导致气化炉的氧耗、煤耗增大, 热效率随之降低。并造成粗合成气中CO2含量升高, 有效气体成分CO+H2含量降低, 不利于气化炉的经济运行。
3 结语
煤质黏温特性的研究, 对Shell气化炉选择入炉煤质提供了一定的参考依据, 为气化炉能够顺利排渣和挂渣提供了保障, 降低系统氧耗与煤耗提高有效气体成分提供了帮助, 减少了设备的侵蚀与磨损, 有效延长了气化炉的使用寿命。但由于煤质成分的复杂性, 单从煤质的成分对黏温特性进行判断存在一定的局限性, 不能准确、直观地表现其关系, 难以准确指导实际工作, 需要借助黏温特性曲线进行综合判断。
摘要：黏温特性是黏度随温度变化而变化的性质, 煤质黏温特性的好坏决定Shell气化炉能否顺利排渣和挂渣, 是Shell煤气化入炉煤质选择判断的一项重要指标。本文对煤质的黏温特性的影响因素进行了分析, 提出了Shell煤气化对黏温特性的要求, 对黏温特性对Shell煤气化的影响进行了综合的分析。
关键词：黏温特性,Shell煤气化,灰渣成分,黏温特性曲线
参考文献
[1] 刘闯, 马海腾.二元混煤在Shell煤气化中的应用[A].第九届全国煤炭工业生产一线青年技术创新文集[C], 2014.
[2] 李德侠, 周志杰, 郭庆华, 于广锁.榆林煤灰熔融特性及黏温特性[J].化工学报, 2012 (01) .
[3] 戴爱军, 杜彦学, 谢欣馨.煤灰成分与灰熔融性关系研究进展[J].煤化工, 2009 (04) .
[4] 吴枫, 阎承信.关于Shell气化法原料用煤的探讨[J].大氮肥, 2002 (05) .
[5] 马海腾, 马雪莲, 周亚涛.shell煤气化技术特点及国内应用概况[J].化工管理, 2013 (18) .