煤炭基礎(chǔ)知識Word版

1、煤炭基礎(chǔ)知識煤炭的品種很多，按其在地下生成的時間的長短，大體可分為泥煤炭、褐煤炭、煙煤炭和無煙煤炭等，它們的煤炭化程度按上述次序依次增加。隨著氣化工藝選取的不同，其對煤炭品質(zhì)的要求也不相同。首選煤炭種。高活性、高揮發(fā)分的煙煤炭是德士古水煤炭漿氣化工藝的對原料煤炭的下述性能和參數(shù)應(yīng)當(dāng)重視： 總水分 總水分包括外水和內(nèi)水。外水是煤炭顆粒表面附著的水分，來源于煤炭在煤炭層中附著的、人為噴灑和露天放置中的雨水，這部分水通過自然風(fēng)干即可基本消除。外水對德士古煤炭氣化沒有影響，但如果波動太大對煤炭漿濃度有一定的影響，而且會增加運輸成本，應(yīng)盡量降低。內(nèi)水是煤炭的結(jié)合水，以吸附態(tài)或化合態(tài)形式存在于煤炭中，煤炭

2、的內(nèi)水高同樣會增加運輸費用，但更重要的是內(nèi)水是影響成漿性能的關(guān)鍵因素，內(nèi)水越高成漿性能越差，制備的煤炭漿濃度越低，對氣化有效氣體含量、氧氣消耗和高負(fù)荷運行不利。 揮發(fā)分及固定碳 煤炭化程度增加，則可揮發(fā)物減少，固定碳增加。固定碳與可揮發(fā)物之比稱為燃料比，當(dāng)煤炭化程度增加時，它也顯著增加，因而成為顯示煤炭炭分類及特性的一個參數(shù)。煤炭中揮發(fā)分高有利于煤炭的氣化和碳轉(zhuǎn)化率的提高，但是揮發(fā)分太高的煤炭種容易自燃，給儲存煤炭帶來一定麻煩。 煤炭的灰分及灰熔點灰分 灰分是指煤炭中所有可燃物質(zhì)完全燃燒反應(yīng)后，其中的礦物質(zhì)在高溫下分解、化合所形成的惰性殘渣，是金屬和非金屬的氧化物和鹽類（碳酸鹽、硅鋁酸鹽、硅酸

3、鹽、硫酸鹽等）的混合體。燃燒后實際測得的是煤炭灰的產(chǎn)率，而并非煤炭中真正的灰含量，在高溫氧化還原氣氛中煤炭中礦物質(zhì)的存在形式已經(jīng)發(fā)生了一系列的物理和化學(xué)變化?；曳蛛m然不直接參加氣化反應(yīng)，但卻要消耗煤炭在氧化反應(yīng)中所產(chǎn)生的反應(yīng)熱，用于灰分的升溫、熔化及轉(zhuǎn)化?；曳趾新试礁撸禾康目偘l(fā)熱量就越低，漿化特性也多半較差。根據(jù)資料介紹，同樣反應(yīng)條件下，灰分含量每增加1%，氧耗約增加0.7%0.8%，煤炭耗約增加1.3%1.5%?；胰埸c 煤炭灰的熔融性，習(xí)慣上用四個溫度來衡量，即煤炭灰的初始變性溫度（IT或T1）、軟化溫度（ST或T2）、半球溫度（HT或T3）、流動溫度（FT或T4）。煤炭的灰熔點一般是指

4、流動溫度，它的高低與灰的化學(xué)組成密切相關(guān)。由常規(guī)煤炭灰分析及表1可知，SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3組分約占灰分組成的90%95%左右，它們的含量相對變化對灰熔點影響極大，因此許多學(xué)者常用四元體系SiO2-Al2O3-CaO- Fe2O3來研究灰的黏溫特性。表1 典型的灰渣組成 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）組分 SiO2 Al2O3 TiO2 Fe2O3 CaO MgO K2O Na2O P2O3 SO3組成 3760 1633 0.91.9 425 315 1.22.9 0.33.6 0.21.9 0.12.4一般情況，灰分中氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂的含量越多，灰熔點越低；氧化硅、氧化鋁含量越高，

5、灰熔點愈高。但灰分不是以單獨的物理混合形式存在，而是結(jié)晶成不同結(jié)構(gòu)的混合物，結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同灰熔點差異很大（參見表2），不能以此作為唯一的判別標(biāo)準(zhǔn)。通常用式 1來粗略判斷煤炭種灰分熔融的難易程度：酸堿比=（SiO2+ Al2O3）/（ Fe2O3+CaO+MgO） 1當(dāng)比值處于15之間時為易熔，大于5時為難熔。表2 灰分中各種混合物的熔點成分 熔點/ 成分 熔點/ 成分 熔點/SiO2晶體 1723 3Al2O3 2SiO2 1850 CaO Al2O3 2SiO2 1553 Al2O3 2020 2FeO SiO2 1065 2CaO Al2O3 SiO2 1590CaO 2570 CaO Si

6、O2 1544 2CaO FeO 2SiO2 1203 MgO 1380 CaO Al2O3 1605 CaO FeO SiO2 1208有些專家采用比值SiO/Al2O3和SiO2/（SiO2+Fe2O3+CaO+MgO）來研究灰分組成和灰分熔點的關(guān)系，指出前者比值不宜小于1.6、后者不宜大于0.9，否則就需要添加Fe2O3或CaO，或者摻混其他煤炭種來調(diào)整灰分的組成以利于熔融排渣?；以靥匦?灰渣黏溫特性是指熔融灰渣的黏度與溫度的關(guān)系。熔融灰渣的黏度是熔渣的物理特性，一旦煤炭種的（灰分組成）確定，它只與實際操作的溫度有關(guān)。熔渣在氣化爐內(nèi)主要受自身的重力作用向下流動，同時流動的氣流也向其施

7、加一部分作用力，熔渣的流動特性可能是牛頓流體、也可能是非牛頓流體，這主要取決于煤炭種和操作溫度的高低。為了順暢排渣，專家認(rèn)為熔渣行為處于牛頓流體范圍內(nèi)操作氣化爐比較合適，一旦進(jìn)入非牛頓流體范圍區(qū)氣化爐內(nèi)容易結(jié)渣，并引入了臨界溫度的概念，即渣的黏度開始變?yōu)榉桥ｎD流體特性時對應(yīng)的溫度，以此作為操作溫度的下界。煤炭種不同，渣的黏溫特性差異很大，有的煤炭種在一定溫度變化范圍內(nèi)其灰渣的黏度變化不大，也即對應(yīng)的氣體操作范圍寬，當(dāng)操作溫度偏離最佳值時，對氣化運行影響不大；有的煤炭種當(dāng)溫度稍有變化時其灰渣的黏度變化比較劇烈，操作中應(yīng)予以特別注意，以防低溫下渣流不暢發(fā)生堵塞?？梢姡墼ざ葘囟茸兓皇鞘置舾?/p>

8、的煤炭種有利于氣化操作。水煤炭漿氣化采用液態(tài)排渣，操作溫度升高，灰渣黏度降低，有利于灰渣的流動，但灰渣黏度太低，爐磚侵蝕剝落較快。根據(jù)有些廠家的經(jīng)驗，當(dāng)操作溫度在1400以上每增加20，耐火磚熔蝕速率將增加一倍。溫度偏低時灰渣黏度升高，渣流動不暢，容易堵塞渣口。只有在最佳黏度范圍內(nèi)操作才能在爐磚表面形成一定厚度的灰渣保護(hù)層，既延長了爐磚壽命又不致堵塞渣口。液態(tài)排渣的氣化爐最佳操作溫度視灰渣的黏溫特性而定，一般推薦高于煤炭灰熔點3050。最佳灰渣流動黏度對應(yīng)的溫度為最佳操作溫度，大多研究機構(gòu)認(rèn)為最佳黏度應(yīng)控制在1540Pa?S之間。助熔劑 由于材料耐熱能力的限制，對灰熔點高于14002 / 5的

9、煤炭如果還要采用熔渣爐氣化，應(yīng)當(dāng)使用助熔劑，以降低煤炭的灰熔點。根據(jù)煤炭質(zhì)中礦物質(zhì)對灰熔點的影響的有關(guān)研究表明，添加適當(dāng)助熔劑降低前面計算式1的酸堿比，可有效降低灰熔點。助熔劑的種類及用量要根據(jù)煤炭種的特性確定，一般選用石灰石或氧化鐵作為助熔劑。石灰石及氧化鐵特別適宜作助熔劑的原因在于，它們是煤炭的常規(guī)礦物成分，幾乎對氣化系統(tǒng)沒有影響，流動性與一般的水煤炭漿相同，加入后又能有效地改變?nèi)墼牡V物組成，降低灰熔點和黏度。視煤炭種的不同，氧化鈣的最佳加入量約為灰分總量的2025%，氧化鐵為15%左右即可對灰熔點降低起到明顯作用。但助熔劑的加入量過大也會適得其反，另外灰渣成分不同對磚的侵蝕速率也會不同

10、，因此還應(yīng)根據(jù)灰渣的組成和向火面耐火材料的構(gòu)成合理選擇助熔劑。加入助熔劑后氣化溫度的降低將使單位產(chǎn)氣量和冷煤炭氣效率提高、氧耗明顯降低，但同時也會使碳轉(zhuǎn)化率稍有降低、排渣量加大，過量加入石灰石還會使系統(tǒng)結(jié)垢加劇。在選擇煤炭種時，宜選擇灰熔點較低的煤炭種，這可有效地降低操作溫度，延長爐磚的使用壽命，同時可降低氧耗、煤炭耗和助熔劑消耗。 發(fā)熱量 煤炭的發(fā)熱量即熱值，是煤炭的主要性能指標(biāo)之一，其值與煤炭的可燃組分有關(guān)，熱值越高每千克煤炭產(chǎn)有效氣量就越大，要產(chǎn)相同數(shù)量的有效氣煤炭耗量就越低。 元素分析 煤炭中有機質(zhì)主要由碳、氫、氧、氮、硫五種元素構(gòu)成，碳是其中的主要的元素。煤炭中的含碳量隨煤炭化程度增

11、加而增加。年輕的褐煤炭含碳量低，煙煤炭次之，無煙煤炭最高。氫和氧含量隨煤炭化程度加深而減少，褐煤炭最高，無煙煤炭最低。氮在煤炭中的含量變化不大，硫則隨成煤炭植物的品種和成煤炭條件的不同而有較大變化，與煤炭化程度關(guān)系不大。氣化用煤炭希望有效元素碳和氫的含量越高越好，其它元素含量越低越好。 氧含量 一般在10%左右，對氣化過程沒有副作用。硫含量 煤炭中硫組分除少量不可燃硫隨渣排出外，大部分在氣化反應(yīng)中生成硫化氫和微量硫氧化碳，其中硫化氫會對設(shè)備和管道產(chǎn)生腐蝕。已有用戶使用過含硫量達(dá)5%的煤炭種，發(fā)現(xiàn)對氣化裝置影響不大。煤炭中含硫量的多少對后續(xù)的酸性氣體的脫除和硫回收裝置影響也較大，因此要求煤炭中的

12、可燃硫含量要相對穩(wěn)定，以使選擇正確的脫硫方法。氣化選擇煤炭種可采用高硫煤炭，因為新一代煤炭化工過程都己經(jīng)將硫化物脫凈並回收成硫磺(目前我國每年進(jìn)口幾百萬噸硫磺)，一方面變成財富，另一方面是改善環(huán)境。氮含量 煤炭中的氮含量決定著煤炭氣中的氮含量和冷凝液的pH值，冷凝液中氨含量高，pH值高可減輕腐蝕作用。但生成過多的氨在低溫下會與二氧化碳反應(yīng)而形成堵塞引起故障，同時pH值的升高，極易引起碳酸鈣結(jié)垢，因此應(yīng)正確考慮氮含量的影響，以利于合理選擇設(shè)備材質(zhì)、平衡系統(tǒng)水量。煤炭中氮含量達(dá)到10%時生產(chǎn)中已證實不是大問題。砷含量 我國對188個煤炭樣抽查結(jié)果顯示煤炭中砷含量在0.5×10-6176&

13、#215;10-6之間，雖然含量不高，隨煤炭種變化差異很大，但砷可以以揮發(fā)態(tài)單質(zhì)轉(zhuǎn)化到粗煤炭氣中，進(jìn)入催化劑床層后與活性組分Co、Mo形成比較穩(wěn)定的化合物，從而使催化劑失去活性，造成不可恢復(fù)的慢性中毒。研究表明當(dāng)變換催化劑中砷含量達(dá)到0.06%時，其反應(yīng)活性即開始下降，達(dá)到0.1%時基本失去活性。砷也是合成甲醇催化劑(銅催化劑)的毒物，而且十分敏感。因此煤炭中的砷含量越低越好。如果煤炭含砷高的話，凈化工序中應(yīng)當(dāng)增加催化脫砷手段。氯含量 氣化反應(yīng)后氯有一部分可嘆隨固體渣排出裝置，另一部分溶滯于工藝循環(huán)水中，當(dāng)氯含量過高時會對設(shè)備和管道造成腐蝕，特別是對于不銹鋼材質(zhì)，工藝運行中應(yīng)予以適當(dāng)控制。一般

14、氣化循環(huán)灰水中氯離子濃度控制在120×10-6 150×10-6之間。如果氯化物進(jìn)入合成氣中，它會使合成甲醇催化劑中毒，所以應(yīng)當(dāng)重視。可磨指數(shù) 一般多用哈氏可磨指數(shù)（Hardgrove Index，簡寫HGI）表達(dá)煤炭的可磨性，它是指煤炭樣與美國一種粉碎性為100的標(biāo)準(zhǔn)煤炭進(jìn)行比較現(xiàn)時得到的相對粉碎性數(shù)值，指數(shù)越高反映出煤炭種越容易被粉碎。煤炭的可磨指數(shù)決定于煤炭的巖相組成，礦質(zhì)含量、礦質(zhì)分布及煤炭的變質(zhì)程度。易于粉碎的煤炭容易制成漿，可以節(jié)省磨煤炭機功耗，一般要求煤炭種的哈氏可磨指數(shù)在5060以上。煤炭的化學(xué)活性 煤炭的化學(xué)活性指煤炭在一定溫度下與二氧化碳、水蒸汽或氧反應(yīng)

15、的能力。我國采用二氧化碳介質(zhì)與煤炭進(jìn)行反應(yīng)來測定二氧化碳被還原成一氧化碳的能力，還原率越高，活性越大，煤炭的反應(yīng)能力越強。它與煤炭的炭化程度、灰分組成、粒度大小以及反應(yīng)溫度等因素有關(guān)，反應(yīng)活性高有利于氣體質(zhì)量、產(chǎn)氣率和碳轉(zhuǎn)化率的提高。綜上所述，從技術(shù)角度來看，水煤炭漿加壓氣化技術(shù)可以適用于大多數(shù)褐煤炭、煙煤炭及無煙煤炭的氣化，但從經(jīng)濟運行角度來看，在篩選煤炭種時可嘆將以下指標(biāo)作為參照進(jìn)行比較：煤炭種的內(nèi)在水以不大于8%為宜、灰分宜小于10%15%；灰熔點以小于13001350的煤炭種為佳；但灰熔點太低對氣化采用廢鍋流程的不利，易使廢鍋結(jié)焦或積灰；發(fā)熱量參考指標(biāo)為25MJ/kg 越高越好；盡可能

16、選擇煤炭中有害物質(zhì)少、可磨性好、灰渣黏溫特性好的煤炭種；盡可能選擇服務(wù)年限長、儲量大、地質(zhì)條件相對好、煤炭層厚的礦點，以保證供煤炭質(zhì)量的穩(wěn)定。煤炭的水分、灰分、揮發(fā)分構(gòu)成煤炭炭有機質(zhì)的元素主要有碳、氫、氧、氮和硫等，此外，還有極少量的磷、氟、氯和砷等元素。碳、氫、氧是煤炭炭有機質(zhì)的主體，占95以上；煤炭化程度越深，碳的含量越高，氫和氧的含量越低。碳和氫是煤炭炭燃燒過程中產(chǎn)生熱量的元素，氧是助燃元素。煤炭炭燃燒時，氮不產(chǎn)生熱量，在高溫下轉(zhuǎn)變成氮氧化合物和氨，以游離狀態(tài)析出。硫、磷、氟、氯和砷等是煤炭炭中的有害成分，其中以硫最為重要。煤炭炭燃燒時絕大部分的硫被氧化成二氧化硫（SO2），隨煙氣排放，

17、污染大氣，危害動、植物生長及人類健康，腐蝕金屬設(shè)備；當(dāng)含硫多的煤炭用于冶金煉焦時，還影響焦炭和鋼鐵的質(zhì)量。所以，“硫分”含量是評價煤炭質(zhì)的重要指標(biāo)之一。煤炭中的有機質(zhì)在一定溫度和條件下，受熱分解后產(chǎn)生的可燃性氣體，被稱為“揮發(fā)分”，它是由各種碳?xì)浠衔?、氫氣、一氧化碳等化合物組成的混合氣體。揮發(fā)分也是主要的煤炭質(zhì)指標(biāo)，在確定煤炭炭的加工利用途徑和工藝條件時，揮發(fā)分有重要的參考作用。煤炭化程度低的煤炭，揮發(fā)分較多。如果燃燒條件不適當(dāng)，揮發(fā)分高的煤炭燃燒時易產(chǎn)生未燃盡的碳粒，俗稱“黑煙”；并產(chǎn)生更多的一氧化碳、多環(huán)芳烴類、醛類等污染物，熱效率降低。因此，要根據(jù)煤炭的揮發(fā)分選擇適當(dāng)?shù)娜紵龡l件和設(shè)備。煤炭中的無機物質(zhì)含量很少，主要有水分和礦物質(zhì)，它們的存在降低了煤炭的質(zhì)量和利用價值。礦物質(zhì)是煤炭炭的主要雜質(zhì)，如硫化物、硫酸鹽、碳酸鹽等，其中大部分屬于有害成分。“水分”對煤炭炭的加工利用有很大影響。水分在燃燒時變成蒸汽要吸