戢绪国 王鹏 忻仕河 邓一英 步学朋

（煤炭科学研究总院 北京煤化工研究分院，北京 100013）

摘  要：  分析了泰国两种褐煤的煤质特性及气化适应性，在内径100mm固定床中进行了不同鼓风强度的常压气化试验研究，总结出泰国两种褐煤常压固定床气化的气化特性。

关键词：  褐煤特性； 常压固定床； 空气气化； 气化特性

    “七五”期间，北京煤化工研究分院从美国引进开发了φ100mm固定床加压气化小型试验装置，气化炉内径100mm，设计压力5.0MPa，运行压力3.0Mpa，曾做过21个中国煤种的加压气化试验。近几年又先后为我国河南义马、山西太原官地、山西连顺公司、内蒙伊泰煤炭集团公司、内蒙宝日希勒、贵州织金^[1]等多个煤种进行了加压气化试烧，评价了诸煤种^[2]在加压气化条件下的工艺特性，为煤炭的深加工与开发设计提供了可靠的技术参数。该气化炉也进行了国内外多个煤种的常压固定床气化试验研究^【3】，如山东新汶矿业集团公司的华丰煤、孙村煤^【4】、协庄煤^【5】、鄂庄煤、张庄煤，以及辽宁朝阳煤，河南鹤壁三矿煤，甘肃华亭煤，安徽前岭无烟煤和朝鲜无烟煤等。进行试烧的褐煤主要有：山东黄县褐煤、辽宁沈北褐煤、内蒙扎赉诺尔褐煤、云南先锋褐煤、内蒙宝日希勒褐煤以及神华褐煤等。

    2004年，中国援助泰国建设一座煤气厂，需进行两种褐煤的煤种试烧，以便获得必要的设计参考数据。在φ100mm固定床加压气化小型试验装置上，进行了泰国两种褐煤的常压空气气化试验，取得了两种褐煤的气化强度、煤气产率、煤气组成和气化效率等重要参数；并对试验煤样进行了常压固定床空气气化适应性和气化指标特性等较全面的试验研究，煤种试验评价工作按预定计划顺利完成。

一、 煤样煤质特性与气化适应性

1.1．煤质化验

    作为试验前期的准备工作，泰国两种褐煤煤样送有关部门进行全面分析化验。化验项目有：工业分析、元素分析、全水、全硫及硫形态分布、发热量、灰熔融性温度、灰成分、结渣性、反应活性、抗碎强度和热稳定性等。表1至表7为煤质分析结果。

表1 煤样的工业分析 

表2 煤样的元素分析 

表3 煤样中硫形态分析 

表4 煤样的灰熔融性温度 

表5 煤样的结渣性 

  表6 煤样的反应活性 

 表7 煤样的抗碎强度和热稳定性 

1.2．煤质特性与气化适应性分析

    从前面分析数据看，按照中国目前的煤炭分级情况，泰国1^#褐煤的基本煤质特性是：固定碳低，全水分高，挥发分高，低中灰分，灰熔融性温度中等；中等热稳定性，抗碎强度较高，强结渣性，发热量中低，反应活性高，硫含量特低，硫形态主要为有机硫。

    泰国2^#褐煤的基本煤质特性是：固定碳、水分较泰国1^#褐煤稍高，中高挥发分，灰分低，灰熔融性温度较低，热稳定性中等，抗碎强度高，结渣性中等，发热量中低，反应活性高，硫含量中等，硫形态主要为有机硫。

    泰国两种褐煤煤样煤质分析数据说明：泰国1^＃褐煤的灰分属于固定床发生炉用煤的一级标准，泰国2^＃褐煤的灰分属于固定床发生炉用煤的特级标准。前者硫含量特低，反应活性好，灰熔融性温度符合固定床用煤标准，有利于固定床气化，但挥发分高、结渣性强、热稳定性较差，这些因素对于固定床气化用煤是不利的，因而属于质量一般的煤种；后者灰分低，结渣性较1^＃褐煤低，抗碎强度和热稳定性较1^＃褐煤高，反应活性好，有利于固定床气化，但灰熔融性温度较低，硫含量较1^＃褐煤高，也属于固定床气化原料的一般煤种。经试验证明，尽管两种褐煤各有利弊，作为常压固定床发生炉生产煤气的原料，只要操作条件控制得当，用于生产常压固定床燃料气是可行的。

二、气化过程与结果

2.1气化试验方案

    根据预定计划要求，本次试验主要研究了不同空气鼓风强度对泰国两种褐煤煤气产量和质量的影响。试验空气鼓风强度包括3 Nm³/h、4 Nm³/h、5 Nm³/h、6Nm³/h。

    煤炭空气鼓风气化可得到低热值煤气。

2.2气化试验工艺过程

    试验前预先将煤箱加满粒度6-13mm的试验煤样。气化炉采用木炭点火，先将木炭在炉外预先引燃，后加入炉内，再添加一定量煤料，然后封闭炉顶法兰，开始向炉内鼓空气。当气化炉内温度升至600～700℃时，开始通入适量的水蒸气，此时炉内的反应层也逐步形成，气化炉在稳定通入气化剂约1h后，炉况进入稳定状态，即可开始测定试验数据。大量的试验表明，在气化炉进入稳定状况后，恒定工艺条件，则炉内的反应温度、煤气流量、煤气组成等参数均能保持稳定，且其重现性良好。

    本次固定床气化试验压力为常压。气化试验的主要操作参数包括加煤量、气化剂流量等。试验过程需测试的气化指标主要包括煤气流量、煤气组成、煤气冷凝水量及其成分，灰渣量及其含碳等。通过收集全面的试验数据，可以进xx化过程的物料和热量衡算。

    对煤种的气化试验研究一般分两个阶段进行，即煤种的适应性（气化{zj0}操作温度）试验阶段和气化特性测试阶段，以下分别介绍本次煤种试验的具体结果。

2.3气化试验{zj0}操作温度的确定

    对泰国两种褐煤探索研究表明：泰国1^＃褐煤调整控制{zg}温度超过1200℃，泰国2^＃褐煤调整控制{zg}温度超过1100℃时，炉内均出现局部结渣，但灰渣轻敲即碎。由于气化炉中心温度通常比测量温度高出大约50～150℃，可以认为：泰国1^＃褐煤{zj0}控制温度不应超过1200℃，泰国2^＃褐煤{zj0}控制温度不应超过1100℃。

    结合初步摸索试验结果，考虑本次试验的泰国1^＃褐煤煤样变形温度DT在1250℃，煤样软化温度ST在1320℃左右，固本次试验{zj0}操作温度控制在1000℃左右。泰国2^＃褐煤煤样变形温度DT在1080℃，煤样软化温度ST在1150℃左右，固本次试验{zj0}操作温度控制在950℃左右。试验也证明，在以上温度下气化炉可以正常连续稳定操作，并获得{zj0}的煤气质量。

2.4 气化试验特性测试与结果讨论

2.4.1 鼓风强度对煤气产量和质量的影响

   泰国1^＃褐煤和泰国2^＃褐煤，在进行不同鼓风强度的常压空气气化过程中，煤气组成变化有着很多相似之处。表8给出了两种褐煤在不同空气鼓风强度下的气化结果。试验时随着鼓风强度的增加，气化炉内表温度上升，相应水蒸气消耗量亦随之增加，以维持正常操作温度。试验结果表明，鼓风量由3Nm³/h增加到6Nm³/h时，煤气产量增加，同时煤气组成变好。这是因为鼓风强度增加，炉内温度上升，气化炉况变

                           表8 泰国两种褐煤固定床常压空气气化的特性

好。这时，煤气中氢气含量有规律地上升，CO、CO₂由于受炉内{zg}温度的影响，变化规律性不明显，煤

气热值总的趋势是增加。试验中发现，两种褐煤在空气气化时，1^＃褐煤气化剂流量3Nm³/h～5Nm³/h时，气化效率呈上升趋势。

    泰国1^＃试验过程中，试验空气鼓风强度做到6Nm³/h时，煤气管道已被焦油尘严重堵塞，煤气出口压力增加，试验无法正常进行。经清理后，后续泰国2^＃试验过程未出现管道严重堵塞现象。分析原因，主要是泰国1^＃褐煤焦油产率远高于泰国2^＃，同时泰国1^＃褐煤热稳定性也要较泰国2^＃差些，因此会出现上述现象。

本次试验因条件限制，未能将试验鼓风强度继续提高，但可以预测，在实际操作中，若气化炉的鼓风强度过分增加，会使气流速度过大，从而带来一系列不良后果^【6～7】：1）增加燃料层的阻力及带出物的损失；2）燃料层温度过高，炉内产生结渣；3）气流速度过快，势必会减少气化剂与燃料的接触时间，从而不利于二氧化碳的还原反应，煤气质量变坏。

    考虑到气化剂流量对煤气效率的影响，建议泰国1^＃褐煤的空气进气速度可控制在0.1m/s～0.18m/s范围；而2^＃褐煤因热稳定性稍好，可将空气进气速度控制在0.1m/s～0.21m/s范围。同时，鼓风强度在上述范围内提高时，煤气产率随煤气组分中惰性组分N₂含量的降低而略有下降。

2.4.2 关于两种褐煤气化指标差异的讨论

    两个煤样空气气化所得气化指标存在差异，除了考虑气固反应的控制步骤外，影响煤气产量和质量的因素还很多，主要决定于三个方面：固体燃料的理化性质，气化过程的操作条件以及煤气发生炉的构造。其中，固体燃料的理化性质是主要因素。因为气化过程的操作条件和发生炉的构造，在很大程度上需从固体燃料的理化性质这一基础出发来考虑选择。从两个煤样的煤质化验结果分析，泰国1^＃褐煤灰熔融性温度比2^＃褐煤的高，因此，水蒸气加入量比2^＃褐煤的低，水蒸气分解的{jd1}量比2^＃褐煤的低，因而煤气组成中，氢气含量低于2^＃褐煤。灰分也对煤气化有很大影响，2^＃褐煤因灰分较低，煤耗低于1^＃褐煤，空气消耗低于1^＃褐煤。2^＃褐煤因灰熔融性温度较低，所用蒸气量较大，酚水产率较1^＃褐煤高。由于1^＃褐煤挥发分高，因而焦油产率大大高于2^＃褐煤。

三、 结论   

    ① 两种泰国褐煤均适合于用作常压固定床的气化原料。

    ② 空气气化结果表明，泰国1^＃褐煤气化剂入气化炉较佳的流速（按反应器横截面积算）为0.10m/s～0.18m/s；泰国2^＃褐煤气化剂入气化炉较佳的流速为0.10m/s～0.21m/s。

    ③ 空气气化指标：泰国1^＃褐煤煤气产率1.83～1.92Nm³/kg原煤，焦油产率每100kg原煤10.88kg，酚水产率每100kg原煤52.68～61.63kg，气化强度311.80～768.63kg/m².h，气化效率48.96～52.22％，热效率73.46～77.04％；泰国2^＃褐煤煤气产率每kg原煤2.26～2.38Nm³，焦油产率每100kg原煤3.91kg，酚水产率每100kg原煤85.18～89.94kg，气化强度273.71～640.03kg/m².h，气化效率65.01～69.43％，热效率69.72～74.16％。

    ④ 褐煤常压固定床气化生产冷煤气时必须重视焦油的回收和含酚污水的处理。两种褐煤气化均产生含焦油的酚水，其中1^＃褐煤焦油产率高，2^＃褐煤酚水产量大，必须采取措施加以处理。但若生产热煤气，相关问题的解决则可大大简化。

参考文献：

① 戢绪国等. “贵州无烟煤固定床加压气化的试验总结”. 《第六届全国煤气化技术交流及业务洽谈年会论文汇编》2006.

② 戢绪国等. “五种煤固定床气化小试试烧综合研究”. 《煤炭转化》2002.3期

③ 戢绪国等. “煤常压固定床空气气化的特性研究”. 《煤气与热力》2004.12期.

④ 戢绪国等. “新汶孙村矿煤固定床气化试验研究”. 工业煤气2002.1期.

⑤ 戢绪国等. “协庄矿煤在不同鼓风强度下固定床气化的特性”. 《工业煤气》2005.3期.

⑥ 邬纫云. 《煤炭气化》.中国矿业大学出版社.

⑦ 沙星中，杨南星. 《煤的气化与应用》.华东理工大学出版社.