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1、矿物质对煤气化的影响 煤中的矿物质 混杂在煤中的无机矿物质（不包括游离水，但包混杂在煤中的无机矿物质（不包括游离水，但包括化合水）。成分复杂，通常多为粘土、硫化物、括化合水）。成分复杂，通常多为粘土、硫化物、碳酸盐、氧化硅、硫酸盐等类矿物，含量变化也碳酸盐、氧化硅、硫酸盐等类矿物，含量变化也较大。所含元素可达数十种，主要有硅、铝、铁、较大。所含元素可达数十种，主要有硅、铝、铁、钙、镁、钠、钾、硫、磷等。煤中矿物质按来源钙、镁、钠、钾、硫、磷等。煤中矿物质按来源可分为内在矿物质和外来矿物质。内在矿物质是可分为内在矿物质和外来矿物质。内在矿物质是在成煤过程中形成的矿物质，其灰分称为内在灰在成煤过程
2、中形成的矿物质，其灰分称为内在灰分（分（inherentash）。内在矿物质进一步分为原）。内在矿物质进一步分为原生和次生两类，前者主要来自成煤植物，较难从生和次生两类，前者主要来自成煤植物，较难从煤中分离出来，后者主要来自成煤过程和成煤后煤中分离出来，后者主要来自成煤过程和成煤后地下水循环过程中带来的，在煤中呈层状、凸镜地下水循环过程中带来的，在煤中呈层状、凸镜状以及各种复杂形状。状以及各种复杂形状。 外来矿物质是在采煤过程中由于煤层的顶板、底外来矿物质是在采煤过程中由于煤层的顶板、底板和煤层中的矸石等混入煤中而造成的。这种矿板和煤层中的矸石等混入煤中而造成的。这种矿物质用洗选的方法较易除去
3、，其灰分称为外来灰物质用洗选的方法较易除去，其灰分称为外来灰分（分（free ash）。矿物质的种类、含量和在煤中）。矿物质的种类、含量和在煤中分布状况，决定了煤的灰分高低和洗选的难易程分布状况，决定了煤的灰分高低和洗选的难易程度，这是影响煤质的重要因素之一。此外，某些度，这是影响煤质的重要因素之一。此外，某些煤还含多种稀有分散元素，如锗、镓、镍、钒、煤还含多种稀有分散元素，如锗、镓、镍、钒、钼、钛、锆、铌、铍、稀土及放射性元素铀、钍钼、钛、锆、铌、铍、稀土及放射性元素铀、钍等，燃烧后多富集于煤灰中，具有重要的经济价等，燃烧后多富集于煤灰中，具有重要的经济价值，提取这些元素是综合利用煤的一个重
4、要方面。值，提取这些元素是综合利用煤的一个重要方面。灰分 煤灰分是煤在一煤灰分是煤在一定温度下充分、完全定温度下充分、完全灼烧后，氧化物残渣灼烧后，氧化物残渣所占的质量分数（即所占的质量分数（即重量百分比）。煤灰重量百分比）。煤灰分与煤的发热量密切分与煤的发热量密切相关，为提高煤的利相关，为提高煤的利用效率，必须严格控用效率，必须严格控制煤产品的灰分。灰制煤产品的灰分。灰分的组成一般认为是分的组成一般认为是一些金属元素及其盐一些金属元素及其盐类。类。 衡量煤中的灰分一般用到：原煤灰分和浮煤灰分衡量煤中的灰分一般用到：原煤灰分和浮煤灰分两个概念。原煤、浮煤灰分用两个概念。原煤、浮煤灰分用Ad%符
5、号表示。我符号表示。我国煤中的灰分普遍较高，且变化也很大。灰分小国煤中的灰分普遍较高，且变化也很大。灰分小于于10%的特低灰煤全国仅约占探明储量的的特低灰煤全国仅约占探明储量的17%左左右。右。 我国是世界上规模最大的煤炭生产国，年产我国是世界上规模最大的煤炭生产国，年产量达量达10亿吨以上，煤炭是我国的主要能源和重要亿吨以上，煤炭是我国的主要能源和重要化工原料。显然，提高煤炭的利用效率对发展我化工原料。显然，提高煤炭的利用效率对发展我国的国民经济意义重大。国的国民经济意义重大。 煤炭的气化 煤炭气化是指煤在特定的设备内，在一定温度及煤炭气化是指煤在特定的设备内，在一定温度及压力下使煤中有机质
6、与气化剂（如蒸汽压力下使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气或氧空气或氧气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含有有CO、H2、CH4等可燃气体和等可燃气体和CO2、N2等非可等非可燃气体的过程。煤炭气化时，必须具备三个条件，燃气体的过程。煤炭气化时，必须具备三个条件，即气化炉、气化剂、供给热量，三者缺一不可。即气化炉、气化剂、供给热量，三者缺一不可。气化过程发生的反应包括煤的热解、气化和燃烧气化过程发生的反应包括煤的热解、气化和燃烧反应。煤的热解是指煤从固相变为气、固、液三反应。煤的热解是指煤从固相变为气、固、液三相产物的过程。煤的气化和燃烧反应则包括
7、两种相产物的过程。煤的气化和燃烧反应则包括两种反应类型，即非均相气固反应和均相的反应类型，即非均相气固反应和均相的 气相反气相反应应 不同的气化工艺对原料不同的气化工艺对原料的性质要求不同，因此在的性质要求不同，因此在选择煤气化工艺时，考虑选择煤气化工艺时，考虑气化用煤的特性及其影响气化用煤的特性及其影响极为重要。极为重要。 主要包括煤的反应性、粘主要包括煤的反应性、粘结性、结渣性、热稳定性、结性、结渣性、热稳定性、机械强度、粒度组成以及机械强度、粒度组成以及水分、灰分和硫分含量等。水分、灰分和硫分含量等。 煤炭气化工艺 煤炭气化工艺可按压力、气化剂、气化过程供热煤炭气化工艺可按压力、气化剂、
8、气化过程供热方式等分类，常用的是按气化炉内煤料与气化剂方式等分类，常用的是按气化炉内煤料与气化剂的接触方式区分，主要有：的接触方式区分，主要有： 1 固定床气化：在气化过程中，煤由气化炉顶部固定床气化：在气化过程中，煤由气化炉顶部加入，气化剂由气化炉底部加入，煤料与气化剂加入，气化剂由气化炉底部加入，煤料与气化剂逆流接触，相对于气体的上升速度而言，煤料下逆流接触，相对于气体的上升速度而言，煤料下降速度很慢，甚至可视为固定不动，因此称之为降速度很慢，甚至可视为固定不动，因此称之为固定床气化；而实际上，煤料在气化过程中是以固定床气化；而实际上，煤料在气化过程中是以很慢的速度向下移动的，比较准确的称
9、其为移动很慢的速度向下移动的，比较准确的称其为移动床气化。床气化。 2 流化床气化：它是以粒度为流化床气化：它是以粒度为0-10mm的小颗粒的小颗粒煤为气化原料，在气化炉内使其悬浮分散在垂直煤为气化原料，在气化炉内使其悬浮分散在垂直上升的气流中，煤粒在沸腾状态进行气化反应，上升的气流中，煤粒在沸腾状态进行气化反应，从而使得煤料层内温度均一，易于控制，提高气从而使得煤料层内温度均一，易于控制，提高气化效率。化效率。 3 气流床气化。它是一种并流气化，用气化剂将气流床气化。它是一种并流气化，用气化剂将粒度为粒度为100um以下的煤粉带入气化炉内，也可将以下的煤粉带入气化炉内，也可将煤粉先制成水煤浆
10、，然后用泵打入气化炉内。煤煤粉先制成水煤浆，然后用泵打入气化炉内。煤料在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧反料在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧反应和气化反应，灰渣以液态形式排出气化炉。应和气化反应，灰渣以液态形式排出气化炉。 4 熔浴床气化。它是将粉煤和气化剂以切线方向熔浴床气化。它是将粉煤和气化剂以切线方向高速喷入一温度较高且高度稳定的熔池内，把一高速喷入一温度较高且高度稳定的熔池内，把一部分动能传给熔渣，使池内熔融物做螺旋状的旋部分动能传给熔渣，使池内熔融物做螺旋状的旋转运动并气化。目前此气化工艺已不再发展。转运动并气化。目前此气化工艺已不再发展。 以上均为地面气化，还有地下气化工
11、艺。以上均为地面气化，还有地下气化工艺。 化工合成气对热值要求不高，主要对煤气中的化工合成气对热值要求不高，主要对煤气中的CO、H2等成分有要求，一般德士古气化炉、等成分有要求，一般德士古气化炉、Shell气气化炉较为合适。目前我国合成氨的甲醇产化炉较为合适。目前我国合成氨的甲醇产 量的量的50以上来自煤炭气化合成工艺。以上来自煤炭气化合成工艺。 煤中灰分对煤气化的影响 灰份含量对煤气化影响非常大灰份含量对煤气化影响非常大,首先对气化炉挂渣首先对气化炉挂渣的影响的影响,一般灰份在一般灰份在12%以上有利于气化炉的挂渣以上有利于气化炉的挂渣,但灰份过高会增大灰水处理的负荷但灰份过高会增大灰水处理
12、的负荷.其次其次,灰份的灰份的高低对气化的有效气产率也会有很大的影响高低对气化的有效气产率也会有很大的影响,对氧对氧耗耗,煤耗的影响也比较大煤耗的影响也比较大,对德士古炉对德士古炉,煤灰份可以煤灰份可以稍低一下稍低一下,在在8%到到12%,这样的灰份含量这样的灰份含量,应该是不应该是不错的错的,但对壳牌炉但对壳牌炉,灰份含量灰份含量12%到到20%之间会更好之间会更好些些. 灰分含量过高对渣水处理负荷增加，管道阀门磨灰分含量过高对渣水处理负荷增加，管道阀门磨损也将增加，氧耗、煤耗会增加。损也将增加，氧耗、煤耗会增加。 灰分含量大，气化炉加煤频率高，排灰频率高，灰分含量大，气化炉加煤频率高，排灰
13、频率高，煤灰锁阀门开关频率高，阀门磨损大煤灰锁循环煤灰锁阀门开关频率高，阀门磨损大煤灰锁循环带出热量多，气化炉提不起负荷，产气量少，水带出热量多，气化炉提不起负荷，产气量少，水资源消耗量大，蒸汽和氧气消耗大，厚系统水处资源消耗量大，蒸汽和氧气消耗大，厚系统水处理大理大 高灰分会对转化率有影响，同时灰渣量增加会导高灰分会对转化率有影响，同时灰渣量增加会导致后续工段带灰增加，磨损管道阀门，经济性下致后续工段带灰增加，磨损管道阀门，经济性下降。四喷嘴灰分最好不要高于降。四喷嘴灰分最好不要高于11% 灰分对德士古气化炉的影响 1灰分对气化效率影响 原料煤中的灰分含量直接影响煤的燃烧，进而影原料煤中的灰
14、分含量直接影响煤的燃烧，进而影响气化效率。保持进人气化炉水煤浆流量不变的响气化效率。保持进人气化炉水煤浆流量不变的情况下，煤中灰分增加，粗合成气中有效气体含情况下，煤中灰分增加，粗合成气中有效气体含量减少，系统生产能力下降。为了对煤气化过程量减少，系统生产能力下降。为了对煤气化过程进行分析，利用进行分析，利用 AspenPlus软件对德士古气化炉软件对德士古气化炉进行模拟，模拟过程保持进人气化炉水煤浆流量、进行模拟，模拟过程保持进人气化炉水煤浆流量、水煤浆浓度、燃烧室温度不变。通过模拟，获得水煤浆浓度、燃烧室温度不变。通过模拟，获得灰分对粗合成气中有效气体含量的影响灰分对粗合成气中有效气体含量
15、的影响(见图见图l)。从图中可以看到，随着原料煤中灰分含量的增加，从图中可以看到，随着原料煤中灰分含量的增加，灰渣熔化吸收热量增加，为了维持气化炉中的温灰渣熔化吸收热量增加，为了维持气化炉中的温度不变，更多的碳原子完全燃烧从而满足灰渣熔度不变，更多的碳原子完全燃烧从而满足灰渣熔化所需的热量。由于过多的碳完全燃烧，导致粗化所需的热量。由于过多的碳完全燃烧，导致粗合成气中有效气成分合成气中有效气成分(CO+H2 )逐渐降低逐渐降低 2灰分对氧耗、煤耗影响 灰分是原料煤中的惰性物质，灰分含量增灰分是原料煤中的惰性物质，灰分含量增大灰渣熔化吸收的热量增大，为了保证气大灰渣熔化吸收的热量增大，为了保证气
16、化炉顺利排渣和维持气化炉的热量平衡，化炉顺利排渣和维持气化炉的热量平衡，需要增加氧量来燃烧更多的碳原子。因为需要增加氧量来燃烧更多的碳原子。因为燃烧了更多的碳原子，所以气化系统的氧燃烧了更多的碳原子，所以气化系统的氧耗、煤耗增加。资料表明，在同样的气化耗、煤耗增加。资料表明，在同样的气化反应条件下，灰分每增加反应条件下，灰分每增加1%，氧耗增加，氧耗增加0.7%一一0.8%，煤耗增大，煤耗增大1.3%一一1.5%. 3灰分对管道、设备影响灰分对管道、设备影响 原料煤中灰分含量升高，黑水中固含量增多、原料煤中灰分含量升高，黑水中固含量增多、SiO2增加，使黑水、灰水系统管道、阀门、设备增加，使黑
17、水、灰水系统管道、阀门、设备的磨损率大大增加，严重时会使关键设备部分磨的磨损率大大增加，严重时会使关键设备部分磨蚀泄露而导致气化炉停车。灰分的增加也使锁斗蚀泄露而导致气化炉停车。灰分的增加也使锁斗排渣量增多，增大了灰水、黑水系统处理负荷。排渣量增多，增大了灰水、黑水系统处理负荷。原料煤中灰分含量增大后，为了利于气化炉排渣原料煤中灰分含量增大后，为了利于气化炉排渣会提高气化炉燃烧室的温度，由于气化炉内操作会提高气化炉燃烧室的温度，由于气化炉内操作温度的提高，高温熔渣和气体加剧了对气化炉燃温度的提高，高温熔渣和气体加剧了对气化炉燃烧室内向火面耐火砖的冲刷和磨损，从而大大降烧室内向火面耐火砖的冲刷和
18、磨损，从而大大降低耐火砖的使用寿命。气化炉操作温度提高低耐火砖的使用寿命。气化炉操作温度提高100，耐火砖的磨蚀速率就会增加两倍，耐火砖的磨蚀速率就会增加两倍. 4灰分对煤的成浆性影响 灰分含量高对成浆性能也有一定影响，除使煤浆灰分含量高对成浆性能也有一定影响，除使煤浆的有效成分降低之外，灰分的增加还使煤质的均的有效成分降低之外，灰分的增加还使煤质的均匀性变差，削弱煤浆分散剂的分散性能，在相同匀性变差，削弱煤浆分散剂的分散性能，在相同煤种条件下，对提高煤浆浓度不利。煤种条件下，对提高煤浆浓度不利。 5灰分对生产成本及能耗影响 原料煤中灰分高时设备维修费、排渣运输费增加，原料煤中灰分高时设备维修
19、费、排渣运输费增加，生产成本相应增加。对于德士古辐射废锅流程气生产成本相应增加。对于德士古辐射废锅流程气化炉，灰渣的显热随着灰渣一起排出系统，这部化炉，灰渣的显热随着灰渣一起排出系统，这部分热量无法回收利用，增大了系统热损失，减少分热量无法回收利用，增大了系统热损失，减少了高压蒸汽产量了高压蒸汽产量;对于德士古激冷流程气化炉，大对于德士古激冷流程气化炉，大量液态灰渣直接进人冷激室，为了维持激冷室内量液态灰渣直接进人冷激室，为了维持激冷室内温度需要加大激冷水量，且加剧锁斗热负荷，从温度需要加大激冷水量，且加剧锁斗热负荷，从而增加了企业的生产成本和能耗。而增加了企业的生产成本和能耗。 综上分析，原
20、料煤中灰分含量的增加，直接影响综上分析，原料煤中灰分含量的增加，直接影响气化效率、降低合成气中有效气体含量，增大气气化效率、降低合成气中有效气体含量，增大气化炉渣口结渣几率，增加气化系统的氧耗、煤耗、化炉渣口结渣几率，增加气化系统的氧耗、煤耗、能耗和生产成本，同时也会提高灰水、黑水系统能耗和生产成本，同时也会提高灰水、黑水系统处理负荷，加剧管道、设备和耐火砖的磨损，对处理负荷，加剧管道、设备和耐火砖的磨损，对气化系统长周期稳定运行不利，因此原料煤中的气化系统长周期稳定运行不利，因此原料煤中的灰分应作为一个重要指标严格控制。灰分应作为一个重要指标严格控制。预防及处理措施 神华包头煤制烯烃项目设计
21、规模神华包头煤制烯烃项目设计规模180万吨万吨/a甲醇，甲醇，采用德士古水煤浆气化工艺，原料煤设计使用神采用德士古水煤浆气化工艺，原料煤设计使用神东布尔台煤矿产优质烟煤，灰分含量一般为东布尔台煤矿产优质烟煤，灰分含量一般为68%，灰熔点（流动温度）一般小于，灰熔点（流动温度）一般小于1200，由于煤质较好，不易结渣，在设计时取消了破渣由于煤质较好，不易结渣，在设计时取消了破渣机和助熔剂添加装置，机和助熔剂添加装置，2010年年5月气化装置一次月气化装置一次投料成功，在后续生产运行过程中，由于原料煤投料成功，在后续生产运行过程中，由于原料煤成份发生变化，灰分含量高、灰熔点高，处理手成份发生变化，
22、灰分含量高、灰熔点高，处理手段较单一，操作调节未及时调整，致使七台气化段较单一，操作调节未及时调整，致使七台气化炉出现不同程度渣口砖脱落、下降管结渣鼓包、炉出现不同程度渣口砖脱落、下降管结渣鼓包、破洞等损坏问题，被迫减负荷运行甚至停炉处理破洞等损坏问题，被迫减负荷运行甚至停炉处理情况，影响气化炉安全、长周期运行情况，影响气化炉安全、长周期运行.1加强煤质分析监测，高低灰分煤掺烧 一般煤质分析取样为分批次分车取样，混合后开一般煤质分析取样为分批次分车取样，混合后开始做煤样的发热量、水份、灰分、挥发份、固定始做煤样的发热量、水份、灰分、挥发份、固定碳等常规分析，分析中一旦灰分含量偏离设计时，碳等常
23、规分析，分析中一旦灰分含量偏离设计时，应及时加做灰熔点分析，根据分析结果，及时调应及时加做灰熔点分析，根据分析结果，及时调整进气化炉煤种，可以将高灰分、低灰分煤按比整进气化炉煤种，可以将高灰分、低灰分煤按比例掺混制浆，获得中等灰分的煤浆，将操作难度例掺混制浆，获得中等灰分的煤浆，将操作难度和对气化炉造成的影响降至最低。和对气化炉造成的影响降至最低。2灰水加强沉降过滤，调整絮凝剂、阻垢剂的添加量 煤中灰分高，经过气化炉后以粗渣和黑水的形式煤中灰分高，经过气化炉后以粗渣和黑水的形式分别送到渣池和闪蒸系统处理，渣池中粗渣被捞分别送到渣池和闪蒸系统处理，渣池中粗渣被捞渣机捞起经渣斗后装车，黑水携带的细
24、灰则在闪渣机捞起经渣斗后装车，黑水携带的细灰则在闪蒸系统中减压降温浓缩，最后汇集到沉降槽和絮蒸系统中减压降温浓缩，最后汇集到沉降槽和絮凝剂作用沉淀，经泵送至压滤装置滤去细灰，经凝剂作用沉淀，经泵送至压滤装置滤去细灰，经沉淀后灰水仍含有少量细灰，为避免在弯管、除沉淀后灰水仍含有少量细灰，为避免在弯管、除氧器处结垢，堵塞过滤器、管道，必须根据系统氧器处结垢，堵塞过滤器、管道，必须根据系统中灰水含灰量适时调整阻垢剂、分散剂的添加量。中灰水含灰量适时调整阻垢剂、分散剂的添加量。3调整操作温度和氧煤比 操作温度的调整涉及到排渣顺畅和炉砖熔蚀保护操作温度的调整涉及到排渣顺畅和炉砖熔蚀保护问题，最佳灰渣流动
25、黏度对应的温度为最佳操作问题，最佳灰渣流动黏度对应的温度为最佳操作温度，多数研究机构认为最佳黏度应控制在温度，多数研究机构认为最佳黏度应控制在1540PaS之间，对应的最佳操作温度高于灰熔之间，对应的最佳操作温度高于灰熔点点3050，并根据排渣情况，适时调整。此外，并根据排渣情况，适时调整。此外氧煤比也是一个关键的控制指标，当灰分较高，氧煤比也是一个关键的控制指标，当灰分较高，客观上也去要适当提高氧煤比，以使气化炉能够客观上也去要适当提高氧煤比，以使气化炉能够保持液态排渣。保持液态排渣。4添加助熔剂 水煤浆气化炉一般要求灰熔点不高于水煤浆气化炉一般要求灰熔点不高于1400，考，考虑到材质耐热能
26、力问题，根据煤质中矿物质对灰虑到材质耐热能力问题，根据煤质中矿物质对灰熔点的影响的有关研究表明，如果灰熔点超过熔点的影响的有关研究表明，如果灰熔点超过1350时，建议添加助熔剂。助熔剂种类及用量时，建议添加助熔剂。助熔剂种类及用量要根据煤种的特性确定，一般选用氧化钙或氧化要根据煤种的特性确定，一般选用氧化钙或氧化铁作为助熔剂。石灰石及氧化铁是煤的常规矿物铁作为助熔剂。石灰石及氧化铁是煤的常规矿物成分，对系统的流动性没有影响，能有效改变熔成分，对系统的流动性没有影响，能有效改变熔渣的矿物组成、降低灰熔点和黏度。视煤种不同，渣的矿物组成、降低灰熔点和黏度。视煤种不同，氧化钙的最佳加入量约为灰分总氧
27、化钙的最佳加入量约为灰分总2025%，氧化，氧化铁为铁为15%左右即可对灰熔点的降低起到明显作用，左右即可对灰熔点的降低起到明显作用，但过量添加石灰石会使系统结垢加剧。另外，灰但过量添加石灰石会使系统结垢加剧。另外，灰渣成分不同，对炉砖的侵蚀速率也会不同，因此渣成分不同，对炉砖的侵蚀速率也会不同，因此还应根据渣的组成和向火面耐火材料的构成选择还应根据渣的组成和向火面耐火材料的构成选择助熔剂。加入助熔剂后气化温度的降低将使单位助熔剂。加入助熔剂后气化温度的降低将使单位产气量和冷煤气效率提高、氧耗明显降低，单同产气量和冷煤气效率提高、氧耗明显降低，单同时也会使碳转化率稍有降低，排渣量加大。时也会使
28、碳转化率稍有降低，排渣量加大。5加强排渣频次 一般水煤浆气化炉锁斗排渣为半小时排一次，自一般水煤浆气化炉锁斗排渣为半小时排一次，自控控制。根据灰渣情况，加强排渣频次，必要时控控制。根据灰渣情况，加强排渣频次，必要时手动连续排渣，设置破渣机，加强破渣机监控管手动连续排渣，设置破渣机，加强破渣机监控管理，防止破渣机故障，形成灰渣架桥，降低堵渣理，防止破渣机故障，形成灰渣架桥，降低堵渣几率。几率。结论 德士古水煤浆加压气化以其工艺技术成熟，流程德士古水煤浆加压气化以其工艺技术成熟，流程简单，设备布置紧凑，运转率高，是目前应用广简单，设备布置紧凑，运转率高，是目前应用广泛的洁净煤气化技术之一，尤其适合气化烟煤和泛的洁净煤气化技术之一，尤其适合气化烟煤和和无烟煤，但在确定具体的煤种和工艺设备取舍和无烟煤，但在确定具体的煤种和工艺设备取舍时，应重点分析原料煤质中灰分含量、灰渣特性时，应重点分析原料煤质中灰分含量、灰渣特性和灰熔点等指标，充分考虑煤质中灰分、灰熔点和灰熔点等指标，充分考虑煤质中灰分、灰熔点变换对气化炉安全稳定运行的影响，并在实践操变换对气化炉安全稳定运行的影响，并在实践操作中加以重视，确保气化装置稳定、长周期运行。作中加以重视，确保气化装置稳定、长周期运行。