1.氣化煤球技術(shù)的發(fā)展概況:
1.1 我國南、北兩地在型煤應(yīng)用特點(diǎn)上的差異:
目前,由于無煙塊煤市場緊缺,價(jià)格過高。為了提高經(jīng)濟(jì)效益,減輕無煙塊煤的市場壓力,于是化肥行業(yè)以往長期采用山西無煙塊煤為原料的廠家,已經(jīng)或正在開始紛紛上馬煤球生產(chǎn)裝置,開始嘗試探索以煤球?yàn)闊o煙塊煤的替代原料。包括一些上世紀(jì)80~90年代曾經(jīng)有煤球裝置,但后來因?yàn)橐恍v史原因而拆除不用的廠家,也重新興建煤球生產(chǎn)線。當(dāng)今,煤球制氣已經(jīng)在化肥行業(yè)快速推廣,并且由南向北呈快速發(fā)展之勢,已經(jīng)或者正在進(jìn)入越來越多的廠家。
目前,我國南、北兩地在煤球應(yīng)用特點(diǎn)和應(yīng)用技術(shù)水平上有較大差異:
①煤球加工技術(shù)方面;南方省份(包括東北、西北兩地)因?yàn)檫h(yuǎn)離山西無煙塊煤產(chǎn)地,絕大部分氮肥生產(chǎn)廠家長期以來一直采用煤球?yàn)樵?/SPAN>(從上世紀(jì)90年代末腐植酸煤棒在湖南、湖北等地推廣應(yīng)用并逐步向外發(fā)展)。制作煤球的原料煤是使用當(dāng)?shù)鼗蚓徒a(chǎn)的低質(zhì)量、低價(jià)位的當(dāng)?shù)責(zé)o煙粉煤,也有少部分廠家采用當(dāng)?shù)責(zé)o煙塊煤為原料。
由于長期摸索、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和不斷提高,在型煤粘合劑技術(shù)方面、加工制作方面和應(yīng)用方面經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)成熟、技術(shù)水平高。在當(dāng)今北方山西無煙塊煤和粉煤價(jià)格高、貨源緊嚴(yán),重影響生產(chǎn)成本的條件下而南方和東北、西北的省份原來存在的“原料缺陷”反而變化成為原料優(yōu)勢,這些地區(qū)生產(chǎn)的無煙煤雖然綜合特性不如山西無煙煤,但貨源足、價(jià)格低的特點(diǎn)已成為這些地區(qū)的原料資源優(yōu)勢,長期堅(jiān)持應(yīng)用并發(fā)展的型煤技術(shù),也成為這些地區(qū)企業(yè)生命力的主要部分。
②造氣應(yīng)用方面;在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中摸索出了系統(tǒng)的、成熟的工藝條件和操作方法,型煤氣化過程中在強(qiáng)化生產(chǎn)的條件下能夠維持工況穩(wěn)定是其應(yīng)用技術(shù)上的一大優(yōu)勢。
③系統(tǒng)整體配套條件也根據(jù)型煤氣化而專門配置,系統(tǒng)整體配套條件看似因陋就簡,但其中蘊(yùn)藏著較深的針對性、專用性的技術(shù)內(nèi)涵。
④有豐富的褐煤資源,這是型煤加工應(yīng)用方面得天獨(dú)厚的優(yōu)越條件。
1.2 型煤分類:
①工業(yè)型煤指鍋爐用的動力型煤。
②民用型煤指炊用的燃料型煤。
③氣化型煤也稱“原料型煤”分二大類;煤球和煤棒。煤球以往是指;由多種類型不同粘合劑制作的用于固定床氣化爐的氣化煤球,以往所謂的氣化型煤也主要是指煤球。當(dāng)今,型煤家族成員增加;如煤球、腐植酸煤棒、型焦等也列入了氣化型煤之列。
在我國氣化煤球早在60年代末期就開始加工制作,并且在固定床間歇?dú)饣簹鉅t上作氣化原料應(yīng)用,起初只是在少數(shù)中、小氮肥廠應(yīng)用。在當(dāng)時(shí)粘合劑只采用粘土和紙漿,后來相繼開發(fā)出石灰碳化煤球等多種類不同粘合劑的型煤。
型煤分類除分為:氣化型煤、工業(yè)型煤、民用型煤以外,在加工的粘結(jié)劑工藝上也有具體分類,主要是根據(jù)有無粘結(jié)劑和粘結(jié)劑的類型大致可分為:
①無粘結(jié)劑煤球;熱壓成的煤球等。
②有粘結(jié)劑煤球;石灰碳化煤球、粘土煤球、瀝青或煤焦油為粘結(jié)劑的煤球、焦油渣與粉煤混和的煤球、粘土及紙漿廢液復(fù)合粘結(jié)劑煤球、瀝青和石灰復(fù)合粘結(jié)劑煤球、瀝青粘土煤球、粘土及腐植酸粘結(jié)劑煤球。目前,以上粘結(jié)劑類型的煤球大多數(shù)已經(jīng)淘汰,只有腐植酸煤球(或煤棒)已被越來越多的廠家采用,腐植酸粘結(jié)劑已經(jīng)成為型煤粘結(jié)劑的主流。石灰碳化煤球在廣西、福建、云南等地區(qū)還有部分廠家應(yīng)用,其它地區(qū)應(yīng)用廠家很少。
粉煤成型利用,是將粉煤的升級利用,是由燃料煤升級為原料煤的“品位升級”,推廣應(yīng)用煤球制氣也是改變原料路線;降低生產(chǎn)成本和減輕或擺脫無煙塊煤供求壓力的大事所需。
用褐煤制作型煤粘結(jié)劑是首選的原料,然而由于我國褐煤資源分布不均衡,部分地區(qū)無褐煤資源,因此型煤粘結(jié)劑工藝采用的是利用燒堿、無煙煤粉抽取腐植酸制作腐鈉粘結(jié)劑,另外靠添加粘土增加煤球強(qiáng)度。因此,型煤粘結(jié)劑工藝方法還難以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),在一些廠家煤球加工制作方面還是存在一些難點(diǎn)和問題,煤球制作的強(qiáng)度和化學(xué)活性差異較大,型煤的應(yīng)用特性和效果上也有較大差距。
當(dāng)今,無褐煤資源的地區(qū)煤球腐植酸粘結(jié)劑工藝也有新改進(jìn),即在煤球中摻加一定量的煙煤,對型煤的化學(xué)活性提高有一定益處,由于煙煤在400~
③氣化型煤從形狀上區(qū)別:
當(dāng)今氣化型煤總體上分為煤球與煤棒,煤球粘結(jié)劑有多種,而煤棒粘結(jié)劑只有傳統(tǒng)的清水煤棒和當(dāng)今的腐植酸煤棒,而清水煤棒已經(jīng)退出氣化型煤之列。
煤球形狀規(guī)格也有多種:如卵形、球形、枕形等,外形規(guī)格大小也有不同,粒度相差較大,堆積密度和孔隙率當(dāng)然也不同,造型粒度一般用單球重量表示;克/單球。
2.煤球制作對原煤的要求:
2.1 原煤的性質(zhì):
原料煤的變質(zhì)程度(即形成年代和煤化程度)對型煤產(chǎn)氣量、碳轉(zhuǎn)化率、氣化效率影響很大,對無煙煤而言,高變質(zhì)程度的原煤制作的煤球產(chǎn)氣率高,這與其形成的孔結(jié)構(gòu)有關(guān),在生產(chǎn)實(shí)踐中產(chǎn)氣量與碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率是成正比的。
無煙煤的灰分物質(zhì)組成及含量差異較大,煤中的灰份組成主要是氧化鋁(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化鉀(K2O)、氧化鈉(NaO)、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、氧化鐵(FeO)、有機(jī)硫(S)。煤的灰熔點(diǎn)和氣化后的出渣形態(tài)與灰分中氧化鎂、氧化鈣、氧化鐵和有機(jī)硫含量有直接關(guān)系,以上元素含量越高灰熔點(diǎn)越低,特別是氧化鐵含量高的煤所形成的疤塊十分堅(jiān)硬,破除十分困難。制作型煤的原煤應(yīng)選擇Al2O3、SiO2、K2O、NaO含量高的粉煤。
煤球的化學(xué)活性對氣化條件和氣化強(qiáng)度影響很大,化學(xué)活性強(qiáng)的煤,與氧反應(yīng)劇烈,氣化速度快,氧化層范圍集中,上、下行氣體溫度容易降低,上火掛壁的幾率很小。因此,化學(xué)活性的高、低是原煤選擇的主要條件之一。
而固定碳含量高化學(xué)活性差的煤,因化學(xué)活性差氧化過程不能在短時(shí)間、短距離、小范圍內(nèi)完成,氧化層則不易集中火層易散,火層散則溫度相對低熱量不易集中,上、下行氣體溫度偏高。因此,該特性的原煤不太適合煤球制作。
從煤的物理特性上分析:煤有“沙石性”和“粘土性”之分;沙性煤粒表面光滑、質(zhì)脆如同河沙,光澤度高,本身無粘連力,親合力差、塑性差,由于表面孔結(jié)構(gòu)密實(shí),堆漚過程中吸水性差,加壓成型后產(chǎn)生反彈力,煤球表面粗糙甚至出現(xiàn)龜裂,機(jī)械強(qiáng)度差。沙性煤化學(xué)活性差,成渣性差,制作煤球后應(yīng)用效果難達(dá)到理想。
土性煤一般揮發(fā)份含量高于沙性煤,結(jié)構(gòu)細(xì)膩,粉碎后本身具有一定粘連性,親合力強(qiáng),成型塑性強(qiáng),重壓后無反彈力,表面微孔結(jié)構(gòu)豐富,氣化過程中與氣化劑接觸面積大反應(yīng)能力強(qiáng)。堆漚過程中吸水均勻,成型后煤球表面光滑機(jī)械強(qiáng)度高。土性煤一般都屬于高粘結(jié)性煤,高溫條件下煤粒表面產(chǎn)生產(chǎn)生一定粘性,能使煤球不易散裂,化學(xué)活性高、成渣性強(qiáng)。制作的煤球應(yīng)用過程中氣化強(qiáng)度高,氣化條件易掌握,煤氣的產(chǎn)率和質(zhì)量易達(dá)到理想狀態(tài)。
但有的地方煤種高溫條件下粘結(jié)性過高、灰熔點(diǎn)低,用塊煤制氣時(shí)操作難度大,易結(jié)疤、懸料、掛壁。而制成煤球入爐后氣化條件反而能維持正常,這是因?yàn)槊呵蚣庸づ淞蠒r(shí)加入了部分高熔點(diǎn)的物質(zhì),如硅含量高的粘土或鈣含量高的石灰等,提高了煤球的灰熔點(diǎn)。
2.2 褐煤的性質(zhì):
制作粘結(jié)劑用的褐煤含碳量一般在65%~70%左右,含有40%左右的原生腐植酸和0.6%~5.6%的褐煤蠟,因產(chǎn)地而異褐煤蠟最高含量可達(dá)10%,揮發(fā)份含量50%左右,灰熔點(diǎn)
褐煤密度1.1~1.4t/m3,屬于腐植煤的范疇,主要是煤化程度的不同而存在性質(zhì)差異。褐煤灰份屬于粘土性成渣松散、化學(xué)活性強(qiáng),作型煤粘合劑能提高型煤的化學(xué)活性、機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性,用于煤球加工能部分替代或全部替代粘土。目前褐煤的用途:①用于發(fā)電占52%左右;②民用燃料占20%左右;③其它用于型煤粘結(jié)劑、制取活性炭、制蠟等,從上世紀(jì)90年代開始被廣泛用作腐植酸型煤粘結(jié)劑。
2.3 粘土的性質(zhì):
粘土資源豐富、價(jià)格低廉,粘土本身無可燃物質(zhì),主要礦物成份是二氧化硅,灰熔點(diǎn)較高但因其不含可燃的活性物質(zhì)所以無反應(yīng)活性,大量添加粘土后雖然增加煤球的機(jī)械強(qiáng)度,但是相應(yīng)降低了型煤的含碳量和氣化反應(yīng)活性。
比較有代表性的粘土的成份分析:
3.腐植酸煤球的特點(diǎn):
3.1 粒度:
煤球是通過機(jī)械成型的,成型后的尺寸是完全一致的。所以說;煤球是粒度最均勻的氣化原料,其均勻度遠(yuǎn)超過無煙塊煤。但是其堆積密度小,孔隙率高、床層蓄熱能力差。1立方煤球的孔隙率是中塊煤的 1.3倍左右,是小塊煤的的1.4倍左右。
通過對工藝原理的進(jìn)一步深入研究發(fā)現(xiàn),入爐原料粒度并不是越均勻越好,有合理的粒度級別原料能自動填充空間使床層密實(shí)度提高,床層蓄熱能力提高,有利于熱轉(zhuǎn)化利用率提高。例如,制作出粒度不同的煤球或直徑不同的煤棒,都是提高型煤氣化應(yīng)用水平的有效措施。
3.2 熱穩(wěn)定性:
煤球熱穩(wěn)定性比無煙塊煤差,由于制作中添加了一定量的無反應(yīng)活性的物質(zhì)作粘結(jié)劑致使吹風(fēng)效率變低,發(fā)熱量也相應(yīng)降低,熱穩(wěn)定性一般為70%左右,加工質(zhì)量差的煤球熱穩(wěn)定性60%左右。
煤球造氣本身就有床層蓄熱能力差,上行氣溫度比采用無煙塊煤偏高,而且存在工況控制難度大的特點(diǎn),如果煤球再存在熱穩(wěn)定性太差的特點(diǎn),就將使熱粉化加劇,吹風(fēng)帶出物的量會增加,氣化效率下降。因此,提高熱穩(wěn)定性是提高煤球加工質(zhì)量的一項(xiàng)重要任務(wù)。
用煤球造氣相比無煙塊煤來講,同樣氣化強(qiáng)度的條件下吹風(fēng)效率低,用風(fēng)量大,該特點(diǎn)是煤球的化學(xué)活性和固定碳含量所致。在實(shí)際運(yùn)行中煤球氣化爐與無煙塊煤氣化爐在同樣吹風(fēng)量的條件下,發(fā)氣量卻低20%~30%。有數(shù)據(jù)顯示;無煙塊煤氣化爐生產(chǎn)一立方半水煤氣需0.95~
3.3 如果用煤球替代無煙塊煤,要求煤球必需具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性,以適應(yīng)搬運(yùn)或加煤過程中發(fā)生的擠壓磨擦和跌落撞擊,以及爐內(nèi)劇烈的溫度變化和高速的氣流沖刷。因此,煤球的加工質(zhì)量是決定型煤應(yīng)用水平的首要環(huán)節(jié),提高煤球的冷熱強(qiáng)度,有利于減少入爐過程中的破損量和減少爐內(nèi)熱粉化,降低氣化過程中帶出物數(shù)量,能確保煤球在氣化爐中氣化條件正常。
4.腐植酸鈉煤球的加工:
4.1 要求掌握好四個(gè)環(huán)節(jié):
①科學(xué)的做好原料煤選擇與配煤。
②選擇先進(jìn)的并且適合與所用原煤配伍的粘結(jié)劑工藝。
③科學(xué)選擇加工設(shè)備并且合理配套。
④在加工過程進(jìn)行嚴(yán)格管理搞好質(zhì)量保證。
在行業(yè)中早有“要用好煤球關(guān)鍵是先制好煤球”之說法。
4.2 腐植酸粘合劑的制作方法:
褐煤是提取腐植酸鈉的重要原料,褐煤中含有游離腐植酸,腐植酸是一種具有極強(qiáng)性的膠體,在成型過程中外力作用使煤粒間緊密接觸。腐植酸分子使煤粒間相接合力得以加強(qiáng)而成型。褐煤中有大量含水的毛細(xì)孔,成型時(shí)毛細(xì)孔被壓潰,其中的水被擠出,覆蓋于煤粒表面形成水膜,進(jìn)而填充煤粒間空隙,呈現(xiàn)出相互作用的結(jié)合力,加強(qiáng)了煤粒的接觸而成型。
無褐煤資源的地區(qū)大多數(shù)廠家采用存放時(shí)間較長的經(jīng)過風(fēng)化的無煙煤,經(jīng)破碎、打槳、濾去雜物,再配入堿液、加熱、攪拌,即可制成腐植酸鹽堿溶液。該溶液屬于水容性有機(jī)粘合劑,被煤表面所吸附,并通過煤粒微孔透到煤粒內(nèi)部。使煤的親合力增強(qiáng),烘干時(shí)腐植酸鹽堿溶液因水份蒸發(fā)而逐步濃縮成膠質(zhì)體,更加增強(qiáng)了煤粒之間的粘結(jié)力。
4.3 腐植酸煤球加工質(zhì)量:
影響煤球質(zhì)量的因素主要有粘結(jié)劑質(zhì)量、原煤質(zhì)量和加工工藝條件,包括烘干程度。特別是原料煤加工破碎的粒度對型煤質(zhì)量性能的影響很大,成型用的原料煤粉粒度要≤
型煤加工配料時(shí)腐植酸鈉濃度應(yīng)根據(jù)原煤的水分含量而定,原煤水分含量高則腐植酸液體要濃稠一些少加一些,原煤水分含量低則液體稀一些多加一些。配料時(shí)燒堿的量一般為褐煤重量的3.5%左右,腐植酸鈉粘結(jié)劑加的量一般為原煤的5%~8%為宜。
5.腐植酸煤球的氣化特點(diǎn)分析:
5.1 煤球冷強(qiáng)度低的原因:
一是與原煤中的水分過高導(dǎo)致粘結(jié)劑無法按量加入所致,原煤水分應(yīng)為5%~6%為宜,粘結(jié)劑含水量在11%~13%之間為宜。
二是粘結(jié)劑工藝不適合所用原煤或粘結(jié)劑制作不符合要求,粘度低。
三是粉煤與粘結(jié)劑混合度不夠。
四是成型設(shè)備壓力達(dá)不到要求,不能將煤與粘結(jié)劑的結(jié)合力加壓到要求。
5.2 煤球的熱穩(wěn)定性:
煤球的熱穩(wěn)定性是指煤球在高溫燃燒和氣化過程中,保持原來粒度而不破損或粉化的能力。造成煤球熱穩(wěn)定性不好的因素有很多;
一是煤球熱穩(wěn)定性差與原煤中結(jié)晶水含量有較大關(guān)系。
二是與原煤的性質(zhì)(如“沙性”或“土性”)有關(guān)。
三是與煤的灰分組成有關(guān)。
四是粘結(jié)劑工藝問題。
五是加工設(shè)備配套平衡方面。
六是烘干質(zhì)量達(dá)不到要求,入爐水分含量高。
5.3 煤球的結(jié)成渣性:
煤球的結(jié)成渣性與原料煤的灰分組成和灰分中的易熔成分含量有關(guān),煤球在爐內(nèi)的成渣條件除了與操作條件和煤的熔點(diǎn)外,還與煤中的灰分含量及灰分的礦物原素組成有關(guān)。另外,加入的粘結(jié)劑在一定程度上也會改變了原煤的特性,也會影響煤球的成渣性,如添加物不正確或添加量不當(dāng)使煤球產(chǎn)生了高熔點(diǎn)、低活性的特點(diǎn)就會影響煤球的成渣性,從而直接影響氣化條件。
5.4 煤球的化學(xué)活性:
煤球的化學(xué)活性是一項(xiàng)重要的指標(biāo),煤球的化學(xué)活性與原煤的化學(xué)活性有關(guān)。煤球的化學(xué)活性是可以通過配煤來調(diào)節(jié)并提高的,高活性的煤與低活性的煤合理搭配,并且從添加物上合理調(diào)配就能相應(yīng)提高煤球的化學(xué)活性,還可以結(jié)合原煤的粒度調(diào)整與成型壓力調(diào)整來提高孔隙結(jié)構(gòu)等。
6.腐植酸煤球的應(yīng)用特點(diǎn)要求煤氣爐作相應(yīng)的技術(shù)改造:
6.1 煤球氣化對炭層高度的要求:
煤球?qū)倭6茸罹鶆虻臍饣,但堆積密度小、孔隙率高、透氣性強(qiáng),床層蓄熱能力差,不利于形成高溫氣化條件。煤球堆積密度相當(dāng)于無煙塊煤的75%左右,氣化強(qiáng)度一般在900~
6.2 從型煤操作特點(diǎn)方面講:型煤氣化需要提炭層高度增加蓄熱能力,為了擴(kuò)大氣化表面積,增加發(fā)氣量,降低二氧化碳含量,必需提高氣化層厚度。相對的措施是必需提高氣化層的溫度和厚度,因此需要提高炭層高度增加床層的蓄熱能力,與此同時(shí)需要增加炭層蓄熱能力降低上行氣溫度,以適應(yīng)型煤熱穩(wěn)定性差的特定條件。而要?jiǎng)?chuàng)造與之適應(yīng)的條件,首要的是提高炭層高度,型煤氣化的床層高度選擇要大于塊煤。所以,煤氣爐的三個(gè)高徑比都需要達(dá)到合理。
而在實(shí)際運(yùn)行中,由于型煤堆積密度和孔隙率問題的客觀存在,如果床層的高徑比達(dá)不到要求,勢必造成床層蓄熱能力差,致使?fàn)t內(nèi)火層上移快,出現(xiàn)上行氣溫度難以控制,甚至出現(xiàn)吹翻炭層、吹風(fēng)帶出物量大等問題。在床層厚度達(dá)不到要求條件下,應(yīng)用廠家為了穩(wěn)定爐況,被迫將風(fēng)量控制的都特別小。因此,風(fēng)機(jī)能力的發(fā)揮受到了限制,煤氣爐氣化能力也因此而降低。
目前,煤球應(yīng)用實(shí)際運(yùn)行中存在的矛盾是;煤球氣化需要加大吹風(fēng)量增加放熱量,而實(shí)際體現(xiàn)在爐況上的情況是風(fēng)量加不上,反而比塊煤氣化爐風(fēng)量控制的還要小,因而煤氣爐生產(chǎn)能力受到限制。此現(xiàn)象往往是因?yàn)樾兔旱臍饣攸c(diǎn)固有的因素外加煤氣系統(tǒng)配置與型煤的氣化特點(diǎn)不相平衡所致。
提高煤氣爐內(nèi)的床層高度,制約的條件是煤氣爐高徑比和水夾套的高徑比,型煤氣化的煤氣爐水夾套高度,應(yīng)比無煙塊煤氣化爐按床層提高的比例而增加。煤球氣化要想達(dá)到高氣化強(qiáng)度,就必需要?jiǎng)?chuàng)造條件加大入爐空氣量,從氣化設(shè)備配置上講,煤氣爐的高徑比、水夾套的高徑比、床層高度的高徑比問題,是制約入爐空氣量增加的關(guān)鍵性問題。以上問題解決后,入爐空氣量才能提高,風(fēng)機(jī)配套能力就能相應(yīng)加大,煤氣爐的氣化能力就會因此而增加。
6.3 爐箅性能必需做適應(yīng)性設(shè)計(jì)改進(jìn):
煤球氣化因其與塊煤相比具有明顯的不同特性,因此對爐箅的布風(fēng)條件、排灰面積、破碴能力、選材用料、防流作用等性能特點(diǎn),均有嚴(yán)格的技術(shù)要求。為了適應(yīng)型煤的氣化特點(diǎn),煤氣爐的平衡配套條件方面除煤氣爐三個(gè)高徑比和風(fēng)機(jī)能力的合理匹配之外,絕不能小視爐箅性能的適應(yīng)性改造。否則,將因此而影響煤球的應(yīng)用效果和效益。
6.4 氣化煤球的造氣系統(tǒng),除塵器能力必需加強(qiáng),除塵效果必需保證。否則。必然造氣系統(tǒng)堵塞,另外粉塵排放也難以控制,環(huán)保問題解決不了。
結(jié)束語:
綜上分析從煤球的實(shí)際應(yīng)用角度來講;腐植酸煤球雖然存在固定碳含量相對較低的顯著特性。然而,這并非是對煤球氣化效果產(chǎn)生不利影響的絕對因素,而煤球的機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、化學(xué)活性、灰熔點(diǎn)才是影響氣化效果的關(guān)健所在,當(dāng)然這些條件達(dá)到要求后固定碳含量高一些是更好了。同時(shí)設(shè)備配套條件、工藝條件、操作方法是同等重要的。