新疆准东煤特性及其煤气化工艺选型研究_宋玉国.pdf

新疆准东煤特性及其煤气化工艺选型研究 宋玉国 兖矿新疆煤化工有限公司, 新疆 乌鲁木齐 830000 摘 要 介绍了新疆准东矿区煤质特性; 从气化压力、 原料煤适应性、 装置加煤方式、 煤 气化成分及效率、 气化系统配置、 投资和操作成本等方面分析了采用兖矿多喷嘴新型气化炉和 粉煤气化炉技术的选型要求; 最终确定准东煤质宜采用粉煤气化技术。 关键词 准东煤; 煤质特性; 煤气化; 选型 中图分类号 TQ54 文献标识码 A 文章编号 1005-8397202009-0047-04 收稿日期 2020-05-07 DOI 10. 16200/ j. cnki. 11-2627/ td. 2020. 09. 014 作者简介 宋玉国1971, 男, 山东滕州人, 2008 年毕业于山东理工大学化学工程与工艺专业, 工学学士, 兖矿新疆煤化工有限公司 煤炭管理办公室主任, 工程师。 引用格式 宋玉国. 新疆准东煤特性及其煤气化工艺选型研究 [J]. 煤炭加工与综合利用, 20209 47-49, 52. 新疆准东煤田矿区内煤炭资源丰富, 为煤炭 的开发利用和煤电、 煤化工结合发展循环经济提 供了得天独厚的资源条件。 准东煤田预测资源量 3 900 亿 t, 是新疆自治区 3 个储量大于 3 000 亿 t 的超级煤田之一, 占全疆储量的 17. 8。 煤炭资 源占地约 4 000 km2。 煤炭储量大, 储存条件好, 原煤开采以露天煤矿为主。 煤质以长焰煤、 不粘 煤和弱粘煤为主, 适用于煤电、 煤化工生产, 但 在煤化工方面尤其气化方面的应用及研究较少。 1 准东煤煤质特性 准东矿区某采区原料煤各项指标分析数据见 表 1。 由表 1 可以看出, 准东煤具有水分高、 氯 元素高、 低灰分、 低硫分、 中挥发分、 中热值等 特点, 属于极易着火和燃尽的煤。 灰中的钾和钠 含量较高, 与其他动力用煤相比, 其灰中的碱性 成分含量较高K2O、 Na2O、 CaO、 MgO。 氧化 钠为易挥发物质, 在电站锅炉燃用挥发后尤为明 显, 容易凝结在受热炉壁面上, 形成烧结或粘结 性的灰沉积。 准东煤若选做水煤浆气化用煤, 其 成浆性差, 稳定性也较差, 不适合用于水煤浆气 化; 其灰熔点变形温度、 软化温度、 流动温度波 动大。 分析数据表明, 准东煤的灰熔点范围窄 ST 和 FT 差只有40℃, 易导致气化炉排渣操作 温度区间小, 操作弹性受限制, 不适合单烧。 从 煤灰组成分析数据来看 SiO2、 Al2O3、 Fe2O3指标 相对偏高, 在新型煤气化技术用煤选型上将受到 一定的局限性。 表 1 准东矿区某采区煤质特性 工业分析 项目指标 元素分析 项目指标 灰成分分析 项目指标 Mad/ 10. 81 Cdaf/ 64. 23 wSiO2 / 29. 06 Aad/ 8. 51 Hdaf/ 3. 60 wAl2O3 / 11. 47 Vad/ 25. 26 Ndaf/ 0. 67 wFe2O3 / 12. 72 FCad/ 0. 91 Odaf/ 14. 91wCaO / 9. 28 St,ad 0. 74 Sdaf/ 0. 88wMgO / 5. 50 焦渣特征4 Pd/ 0. 020 wNa2O / 7. 74 Qnet,ar/ MJ kg -1 22. 07Fd/ μgg -1 40 wK2O / 0. 80 DT/ ℃1 220 Cld/ 0. 063 wTiO2 / 0. 88 ST/ ℃1 239Asad/ μgg -1 3 wSO3 / 11. 81 HT/ ℃1 261 St,d 0. 88wMnO / 5. 60 FT/ ℃1 279 wP2O5 / 0. 07 2 选型基础 企业在新疆选择新型煤气化技术路线项目时 一定要先吃透煤, 首先必须以原料煤源为基础, 既要考虑原料煤质量能够完全满足拟选用煤气化 工艺的要求, 又要考虑原料煤供应可靠、 煤质稳 定, 还要考虑原料煤的到厂价格。 据兖矿新疆煤 化工有限公司多年生产体检, 从煤种到煤质过程 分析, 不仅在同一个矿区煤质相距甚远, 甚至同 一个煤矿不同煤层的煤质都不一样, 同一个矿区 74 煤炭加工与综合利用 No. 9, 2020 COAL PROCESSING 另 一方面, 由于不需要备用系列, 检修和维护工作 量大大降低, 特别是采用水冷壁结构, 无耐火砖 内衬, 对气化炉操作温度的要求比水煤浆气化炉 宽松, 而且气化烧嘴运行周期长, 节省维护费 用, 延长运行周期。 目前水煤浆气化炉国产耐火 砖使用寿命 1 年左右, 装置受到耐火砖的寿命、 气化烧嘴运行时间等因素的影响, 连续运行周期 受到限制, 故维护费用较高。 见表 3。 表 3 粉煤与水煤浆气化的技术经济对比 项 目粉煤气化炉水煤浆气化炉 气化炉形式加压气流床加压气流床 气化压力G / MPa≤4. 03. 08. 7 能量回收型式水冷壁水激冷或废锅水激冷 气化温度/ ℃1 4001 7001 400 加煤装置煤喷枪烧嘴 炉体保护装置水冷壁耐火材料 易损件无烧嘴、 耐火材料 破渣装置有有 排渣装置锁斗锁斗 适用原料煤种范围较宽煤种有一定要求 原料煤进料规格 粒度100 μm, 水分 2烟煤, 褐煤10 粒度830 μm 进煤方式 粉煤用 N2/ CO2输送 水煤浆, 泵送 碳转化率/ 约 999698 有效气COH2 体积分数/ 90927884 冷煤气效率/ 78837076 环境影响废水易处理, 费用小废水易处理, 费用小 综上所述, 水煤浆气化和粉煤气化工艺各具 特色。 水煤浆气化工艺的优势在于其装置投资 少、 国产化程度高、 气化压力范围广、 装置操作 相对简单、 装置生产相对平稳; 而粉煤气化工艺 的优势在于煤种适应范围较广、 有效气体成分较 高、 操作和维护费用较低。 4 水煤浆或成浆技术要求 据表 1, 原料煤的成浆性是能否选用水煤浆 气化的关键。 据兖矿装置运行实践表明, 成浆浓 度是指剪切速率 100 s -1 、 粘度约为 1 000 mPas 时水煤浆能达到的浓度。 分散剂为萘磺酸盐, 用 量为煤粉质量的 0. 3, 不加入稳定剂制成一系 列浓度水煤浆, 测量其流动性, 见表 4。 表 4 水煤浆的表观粘度 随成浆质量分数上升的变化规律 成浆质量分数/ 分散剂用量/ 表观粘度/ mPas 510. 3440 520. 3670 530. 3860 以萘磺酸盐作为分散剂, 添加量煤粉质量 添加剂质量为 100 ∶ 0. 3, 不添加稳定剂时, 调 整煤适当的粗细颗粒配比, 所收到的煤样可制备 出质量分数为 51左右、 稳定性及流动性均良好 的水煤浆。 根据煤质分析和成浆性能试验分析, 结果显示 对所提供的煤样, 不加添加剂时, 制 备的水煤浆成浆性较差, 煤浆浓度较低、 粘度偏 高。 成浆质量分数分别为 52、 53、 53, 在 该质量分数下煤浆需外力推动才可流动, 静置后 有水析出并产生大量软沉淀。 5 结 论 1准东煤煤种内水较高, 制备的水煤浆成 浆性较差, 煤浆浓度较低、 粘度偏高, 需外力推 动才可流动, 静置后有水析出并产生大量软沉 淀, 煤浆质量分数仅能达到 50 53。 如此低 的煤浆浓度意味着气化时需提供大量热量以保证 水煤浆中水的汽化, 造成 CO2浓度上升, 有效气 含量下降, 煤耗、 氧耗大幅增大。 同时, 过高的 粘度也会增加进料系统泵的能耗, 造成全厂经济 指标长期下降。另外,该煤种灰熔点FT1 279 ℃, 下转第 52 页 94 2020 年第 9 期宋玉国 新疆准东煤特性及其煤气化工艺选型研究 煤气温度低于 28 ℃, 并尽可能低于 25 ℃, 在 脱硫反应放热量不变的前提下降低出口煤气温 度, 从而减小煤气膨胀体积、 减小管道阻力, 降 低煤气流动的速度, 减少乙醇胺溶液在煤气中的 夹带, 也减少了乙醇胺溶液的消耗。 降低出口煤气温度, 有利于减少乙醇胺蒸发 量, 降低煤气的饱和水含量。 乙醇胺溶液蒸发在 增加消耗的同时降低了乙醇胺循环吸收液的浓 度, 降低了溶液对 H2S 的吸收能力。 降低入口煤 气温度及乙醇胺溶液温度, 减少乙醇胺溶液蒸发 量, 有利于降低煤气中乙醇胺含量, 降低煤气中 氮氨含量, 减轻尾气排放环保压力。 3减少能源消耗, 降低能源成本。 乙醇胺 溶液解析塔属于提馏塔, 提高解析塔进口富液温 度有利于酸性气体闪蒸解析。 通过换热方式提高 解析塔富液进口温度, 可以降低蒸汽消耗, 减少 能源成本。 降低解析塔塔顶压力有利于降低解析塔塔顶 温度, 从而减少塔底加热器蒸汽消耗。 酸气冷却 器、 酸气温度、 管道阻力等都影响解析塔塔顶压 力的变化, 保持设备顺畅、 阻力降低, 有利于降 低解析塔塔顶压力, 减少蒸汽消耗的同时也减轻 了溶液、 酸气冷却等对循环冷却水的需求, 可以 大大降低水处理系统负荷。 4作为型煤配料处理固体废弃物。 乙醇胺 溶液再生的钠盐残渣与煤、 除尘灰、 含油废水按 一定比例混合, 通过压球机生产半球状型煤, 再 将型煤配入煤中, 减少了固体残渣对环境的污 染, 又增大了装入煤堆比重。 虽然钠盐再次进入 焦炉炼焦会对高炉用焦炭有所影响, 但仍不失解 决环保问题的好办法。 4 结 语 虽然乙醇胺具有 H2S 吸收能力强, 并且稳 定、 热降解率小、 容易从污染溶液中回收等优 点, 但是, 基于其他各种顾虑, 目前国内焦化行 业使用索尔费班法脱硫工艺的厂家越来越少。 太 钢焦化厂通过采取强化乙醇胺溶液再生、 降低煤 气温度、 降低煤气中氧含量等一系列措施, 最大 限度消除了乙醇胺溶液吸收过程中的弊病, 将负 面影响控制在可接受的范围, 使索尔费班法脱硫 工艺的投资小、 设备少等优点将更加明显。 􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮􀤮 上接第 49 页 偏高, 较高的灰熔点会提高气化炉燃烧室的温 度, 造成耐火砖寿命下降, 不利于水煤浆气化炉 长期运行。 另外, 该区域煤种碱金属如钠、 钾 含量较高, 灰成分中氧化钠约占 7. 74、 氧化钾 占 0. 80。 过高的碱金属含量会对耐火砖长周期 运行产生不利影响, 降低耐火砖寿命与气化炉在 线率。 2据兖矿新疆煤化工有限公司气化装置的 实际运行情况, 结合新疆心连心能源化工有限公 司使用对置式多喷嘴水煤浆气化炉、 奎屯锦疆化 工有限公司、 神华新疆化工有限公司 2 家公司使 用的 GE原德士古水煤浆气化炉以及新疆国泰 新华化工有限责任公司的晋华炉水冷壁运行效 果来看, 当前采用准东煤的水煤浆气化装置运行 过程中仍存在不少的问题, 水煤浆气化工艺仍然 无法使用准东矿区就地煤单一煤种, 即准东当 地煤基本不适合用作水煤浆气化工艺的原料煤。 3粉煤气化采用水冷壁结构, 实现 “以渣 抗渣”。 气化炉常用原料煤灰分一般为 8 30, 灰分含量过低不利于挂渣, 含量过高气化 性能较差, 且渣水系统负荷增加。 准东煤煤质灰 分为8. 51空干基, 灰分适中, 所在区域煤质 的灰熔点适中、 可磨指数较高, 建议企业在新疆 选择新型煤气化技术路线项目时, 可选为粉煤气 化的原料。 4根据兖矿粉煤气化 “开阳炉” 满负荷连 续运行 6 a 测算, 该煤种作为粉煤气化原料时, COH2比氧耗301 m3/ km3, 比煤耗0. 596 t/ km3, 两项指标均处于先进水平, 说明该煤种为适宜的 粉煤气化应用原料。 尽管粉煤气化激冷流程的粗 煤气水气比仅有 0. 60. 9, 但足以完成调整合成 气比例的变换任务。 参考文献 [1] 于广锁, 龚 欣, 等.多喷嘴对置式水煤浆气化技术 [J]. 现代化工, 2004, 2410 46-49. [2] 孙永奎, 李 耀. 多喷嘴对置式水煤浆气化装置运行总 结 [J]. 中氮肥, 20106 8-10. [3] 龚 欣, 郭晓镭, 等.新型气流床粉煤加压气化技术 [J]. 现代化工, 2005, 253 51-52, 54. [4] 宋玉国, 张庆忠.粉煤气化技术用于 500 kt/ a 合成氨项 目总结 [J]. 化工设计通讯, 2014, 402 34-37. 25 煤炭加工与综合利用2020 年第 9 期