关于煤的灰分对气化系统影响的分析
灰分在煤气化过程中的影响及解决方案
248研究与探索Research and Exploration ·理论研究与实践中国设备工程 2020.05 (下)1 水煤浆气化装置简介中海石油华鹤煤化有限公司气化装置采用水煤浆加压气化技术，包括制浆、气化、渣水处理三个工序。
通过多年的生产研究，技术相对纯熟，不断完善工艺流程中的细节，节约成本，提高生产质量，煤气化产业未来的发展仍有很大空间。
2 灰分和灰熔点的概念2.1 灰分的来源及组成灰分是无机物，产生于煅烧的残留物或烘干的剩余物，煤气化生产过程中的灰分，是指煤样完全燃烧后剩下的残渣。
灰分主要来自煤中的矿物质。
煤中的无机矿物质经高温灼烧后，均变为金属和非金属的氧化物及盐类。
2.2 灰熔点煤灰熔融性是指煤灰在高温下达到熔融状态时的温度。
煤灰是一种多组分的混合物，没有一个固定的熔点，可以测量一个所有组分熔融的温度范围，这个温度范围就是灰熔点。
煤样在加热中，随着温度的升高，从局部熔融到全部熔融，会伴随产生一定的特征物理状态，分别为变形、软化、半球和流动。
通常用灰锥加热法测定这四个特征物理状态对应的温度来表征灰熔点。
3 灰分对气化运行的影响3.1 热量损失根据气化炉热量衡算结果（表1）可知：每吨煤，灰渣（包括残炭和灰分）带出热量为180.01MJ，是水煤气带出热量的1/20。
这部分热量损失虽不可避免，但是，可以通过减小灰分含量控制热量损失，以保证系统积累更多的热能，灰分在煤气化过程中的影响及解决方案张强（中海石油华鹤煤化有限公司，黑龙江 鹤岗 154100）摘要：煤气化生产工艺过程中，由原料煤和生产过程中产生的灰分，对气化系统影响较大，如何通过煤种中含有的灰分成分和比例，进而测量灰熔点等数值，更加高效稳定的进行生产，对煤气化的发展和完善有着深远的意义。
通过对气化装置运行情况的检测和实验，进行总结。
本文通过对灰分在气化系统生产运行的影响进行分析，探讨了相应的解决办法和应对措施。
关键词：煤气化；灰分；灰熔点中图分类号：TQ541 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2020）05（下）-0248-02有效改善气化系统长期以来外送粗煤气温度低的问题，从而提高水汽比和变换反应效率。
煤种变化对气化炉运行的影响及分析
由于不同煤种的生成环境与开采方式均有差异，因此不同煤种在元素组成方面、颗粒大小方面以及水分含量或粘结性等方面均有明显差异。
而这些元素组成的差异以及颗粒大小的差异将会严重的影响到煤的灰分以及结渣性，进而对气化炉的运行产生一定的影响。
其中煤种的元素组成以及其比例将会影响到煤中碳元素的占比，进而导致煤在燃烧过程中的发热量。
而煤种的粘结性也将会影响到煤种矿物质元素的含量,进而影响到煤在燃烧过程中的发热量以及后期天然气的产生效率与质量。
一、煤种灰分的影响极其结渣性煤的灰分是指煤在经过彻底燃烧后所剩余的残渣，这些残渣一般均是以无机盐的成分所存在的。
而这些无机盐成分的残渣一般均来自于煤中所蕴含的矿物质元素。
众所周知，煤中所蕴含的矿物质元素一般具有三种来源。
首先，煤中所蕴含的矿物质元素有可能来自于成煤植物中所蕴含的矿物质元素，这一类矿物质一般被我们所成为原生矿物质。
其次，煤在形成过程中若是混入了某些矿物质也会导致煤中含有大量的矿物质元素，这一类矿物质我们一般称之为次制胜矿物质。
最后，煤中所蕴含的矿物质元素还有可能来自于其开采过程中所混入的矿物质。
最后这类由于其矿物质元素来自于外来物质，因此我们将其称之为外来矿物质。
故而，由于不同的煤种在开采方式以及煤矿生成过程中均具有一定的差异，因此不同煤种的灰分也大不相同。
由于煤的灰分是指煤在彻底燃烧后所剩余的残渣，因此煤的灰分可能会对煤的发热量以及结渣性造成一定的影响。
首先就发热性而言，煤的灰分越高就代表着煤中碳的含量越低，因此若是煤的灰分较高，将会使得煤的发热量较低。
其次就煤的结渣性而言，结渣是指煤在燃烧完成后所剩余残渣受热所形成物体。
而煤的灰分较高，将会使得其更容易产生结渣。
因此，煤种灰分不但会影响到煤的发热量，同时还会对于结渣性造成严重的影响。
加压气化工艺是一种将煤进行气化的方式，其主要工艺流程为原料煤和气化剂在一定压力下在气化炉内发生气化反应，生成主要含H2、CO、CO2、CH4等成分的粗煤气送往变换冷却。
第三章煤炭性质对气化的影响
化工艺》
3-1 煤种对气化的影响
气化用煤的种类对气化过程有很大的影 响，煤种不仅影响气化产品的产率与质 量，而且关系到气化的生产操作条件。 所以，在选择气化用原料的种类时，必 须结合气化方式和气化炉的结构进行考 虑，也要充分利用资源，合理选用原料 。
化工艺》
3-1 煤种对气化的影响
焦油组成和产率的影响
焦油产率与煤种性质有关：一般 地说，变质程度较深的气煤和长焰煤 比变质程度浅的褐煤焦油产率大，而 变质程度更深的烟煤和无烟煤．其焦 油产率却更低。
化工艺》
3-2 煤质对气化的影响
水分对气化的影响 灰分对气化的影响 挥发分对气化的影响 硫分对气化的影响 粒度对气化的影响 灰熔点及结渣性对气化的影响 其他性质对气化的影响
结论：气化用燃料中硫含量应是越低越好
化工艺》
3-2 煤质对气化的影响
五、粒度对气化的影响
为了控制煤的带出量，气化炉实际生产能力有一个 上限，对移动床加压气化而言，粉煤带出量不应超过入 炉煤总量的1%，为限制2mm的煤粒不被带出，炉内上 部空间煤气的实际速度最大为0.9～0.95m／s。
气化炉内某一粒径的颗粒被带出气化炉的条件是 ：气化炉内上部空间气体的实际气流速度大于颗粒 的沉降速度。气化炉上部空间的气流速度用下式计 算：
对发 热值 和组 成的 影响
对煤 气产 率的 影响
一般来说，煤中挥发分越高，转变为 焦油的有机物就越多，煤气的产率下 降。 此外，随着煤中挥发分的增加，粗煤
气中的二氧化碳是增加的，这样在脱 除二氧化碳后的净煤气产率下降得更 快
化工艺》 三、不同 煤种对气化的影响
对消 耗指 标的 影响
不同煤 种消耗 指标的 规律
煤的工业分析及其对气化的影响如何？
煤的工业分析及其对气化的影响如何？各种煤，除了其外表特征不同外，更主要的是它们的工艺性能也有很大的差别。
为了合理的利用煤炭资源，对煤作出正确的评价，在工业上，我们通常采用工业分析的方法。
煤的工业分析通常包括煤的水分、灰分、挥发份和固定碳四种，它们对煤的气化影响很大，现分述于下。
（1）水份：煤的水份通常以三种状态存在。
即游离水，一般由外界条件造成，如雨、雪等，二结晶水，是组成煤的分子与水化合而成为结晶状态的水；三是吸附水，是煤本身的空隙形成毛细吸附现象所吸附的水。
一般所指煤的水份是指实验水份，即在空气干燥状态下的试料，在105℃温度下，加热一小时所放出的水份，这主要是吸收水。
这种水份的含水量与煤形成时间的长短有关系，通常泥煤和褐煤含10℃—30%的水份，而烟煤和无烟煤的水份在5%以下。
煤中水份不但对煤的运输、破碎、筛分都不利，而且煤的水份直接影响煤的发热值，还在气化中及收大量的热量，降低煤气的温度，甚至降低还原层的温度，使煤气质量变坏，CO 2含量增加。
同时在干燥层温度较低时，气化烟煤时干馏层逸出的焦油将会发生重新凝聚，而影响发生炉的透气性。
所以，一般要求煤中的水份不超过8%。
另外，由外界条件造成的游离水，特别是雨天，将严重影响煤的筛分，使大量煤末混入发生炉，使料层透气性变坏，煤气质量下降。
故要求大多数南方工厂的煤气站设置干煤棚或采取其它降低外界水份的措施。
（2）灰份：煤的灰份是指除去水份、挥发份外，一切可燃物质在一定温度（800℃上下）完全燃烧后的残留物。
煤的灰份，主要由二氧化硅（SiO 2）二氧化铝（Al 2O 3）、三氧化二铁（Fe 2O 3）、氧化钙（CaO ）、和氧化镁（MgO ）等组成。
这些矿物质由于是由燃烧得来，故与原来煤中矿特质的真实情况是不同的。
在燃烧时，它们经历了分解、脱水等过程。
煤的灰份是其原生植物的含有物及其在形成过程中外部渗透沉积而混入的。
因此，它的种类、数量以至分布状态，由于煤层所在位置，种类以及形成的不同而异。
煤的水分、灰分、挥发分和发热量对燃烧性能的影响
煤的水分、灰分、挥发分和发热量对燃烧性能的影响煤的水分、灰分、挥发分和发热量对燃烧性能的影响人们通常把开发煤炭资源的企业称作煤矿，把开采出来的煤矿产品称为煤炭。
我国古代曾称煤炭为石涅，或称石炭。
它是植物遗体埋藏在地下经过漫长复杂的生物化学、地球化学和物理化学作用转化而成的一种固体可燃矿产。
它不仅是工农业和人民生活不可缺少的主要燃料，而且还是冶金、化工、医药等部门的重要原料。
据统计，在我国能源生产和消费构成中，煤炭一直居于主导地位，1995年，生产占75.5%，消费占75.0%。
在国民经济中，工业、农业、交通运输的发展都离不开煤炭。
随着近代科学技术的发展和新工艺、新方法的应用，煤炭的用途和综合利用价值将会越来越大。
可以预计，在未来相当长的时期内，煤炭在我国国民经济中都将占有相当重要的地位。
一、矿物原料特点(一) 煤的物理性质煤的物理性质是煤的一定化学组成和分子结构的外部表现。
它是由成煤的原始物质及其聚积条件、转化过程、煤化程度和风、氧化程度等因素所决定。
包括颜色、光泽、粉色、比重和容重、硬度、脆度、断口及导电性等。
其中，除了比重和导电性需要在实验室测定外，其他根据肉眼观察就可以确定。
煤的物理性质可以作为初步评价煤质的依据，并用以研究煤的成因、变质机理和解决煤层对比等地质问题。
1.颜色是指新鲜煤表面的自然色彩，是煤对不同波长的光波吸收的结果。
呈褐色—黑色，一般随煤化程度的提高而逐渐加深。
2.光泽是指煤的表面在普通光下的反光能力。
一般呈沥青、玻璃和金刚光泽。
煤化程度越高，光泽越强；矿物质含量越多，光泽越暗；风、氧化程度越深，光泽越暗，直到完全消失。
3.粉色指将煤研成粉末的颜色或煤在抹上釉的瓷板上刻划时留下的痕迹，所以又称为条痕色。
呈浅棕色—黑色。
一般是煤化程度越高，粉色越深。
4.比重和容重煤的比重又称煤的密度，它是不包括孔隙在内的一定体积的煤的重量与同温度、同体积的水的重量之比。
煤的容重又称煤的体重或假比重，它是包括孔隙在内的一定体积的煤的重量与同温度、同体积的水的重量之比。
煤中水分、灰分、挥发分和发热量对燃烧性能的影响
煤中水分、灰分、挥发分和发热量对燃烧性能的影响1.水分指单位重量的煤中水的含量。
煤中的水分有外在水分、内在水分和结晶水三种存在状态。
一般以煤的内在水分作为评定煤质的指标。
煤化程度越低，煤的内部表面积越大，水分含量越高。
水分对煤的加工利用是有害物质。
在煤的贮存过程中，它能加速风化、裂开，甚至自燃;在运输时，会增加运量，铺张运力，增加运费;炼焦时，消耗热量，降低炉温，延长炼焦时间，降低生产效率;燃烧时，降低有效发热量;在高寒地区的冬季，还会使煤冻结，造成装卸困难。
只有在压制煤砖和煤球时，需要适量的水分才能成型。
2.灰分是指煤在规定条件下完全燃烧后剩下的固体残渣。
它是煤中的矿物质经过氧化、分解而来。
灰分对煤的加工利用极为不利。
灰分越高，热效率越低;燃烧时，熔化的灰分还会在炉内结成炉渣，影响煤的气化和燃烧，同时造成排渣困难;炼焦时，全部转入焦炭，降低了焦炭的强度，严峻影响焦炭质量。
煤灰成分非常简单，成分不同直接影响到灰分的熔点。
灰熔点低的煤，燃烧和气化时，会给生产操作带来很多困难。
为此，在评价煤的工业用途时，必需分析灰成分，测定灰熔点。
3.挥发分指煤中的有机物质受热分解产生的可燃性气体。
它是对煤进行分类的主要指标，并被用来初步确定煤的加工利用性质。
煤的挥发分产率与煤化程度有亲密关系，煤化程度越低，挥发分越高，随着煤化程度加深，挥发分渐渐降低。
4.固定碳测定煤的挥发分时，剩下的不挥发物称为焦渣。
焦渣减去灰分称为固定碳。
它是煤中不挥发的固体可燃物，可以用计算方法算出。
焦渣的外观与煤中有机质的性质有亲密关系，因此，依据焦渣的外观特征，可以定性地推断煤的粘结性和工业用途。
灰分对煤气化的影响
•
不同的气化工艺对原料 的性质要求不同， 的性质要求不同，因此在 选择煤气化工艺时， 选择煤气化工艺时，考虑 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、 结性、结渣性、热稳定性、 结性、结渣性、热稳定性、 机械强度、 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。
• 3灰分对管道、设备影响 灰分对管道、 灰分对管道
• 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， 增加 使黑水、灰水系统管道、阀门、 的磨损率大大增加， 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。 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， 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， 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， 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， 烧室内向火面耐火砖的冲刷和磨损，从而大大降 低耐火砖的使用寿命。 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.
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， 括化合水）。成分复杂，通常多为粘土、硫化物、 ）。成分复杂 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， 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、 磷等。 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。 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， 在成煤过程中形成的矿物质，其灰分称为内在灰 ）。内在矿物质进一步分为原 分（inherentash）。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， 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， 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、 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。
灰分对煤气化的影响
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 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 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 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 分（inherentash）。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 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 状以及各种复杂形状。
• 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 大灰渣熔化吸收的热量增大，为了保证气 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 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 反应条件下，灰分每增加1%，氧耗增加 0.7%一0.8%，煤耗增大1.3%一1.5%.
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 压力下使煤中有机质与气化剂（如蒸汽/空气或氧 气等）发生一系列化学反应，将固体煤转化为含 有CO、H2、CH4等可燃气体和CO2、N2等非可 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。 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 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 气相反 应
• 3 气流床气化。它是一种并流气化，用气化剂将 粒度为100um以下的煤粉带入气化炉内，也可将 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 应和气化反应，灰渣以液态形式排出气化炉。
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关于煤的灰分对气化系统影响的分析
煤的灰分，是指煤样在规定条件下完全燃烧后所得的残留物。
包括有机质燃烧后的残渣和无机矿物质在煤燃烧过程中形成的反应产物。
确切地说，灰分应称为灰分产率。
煤中灰分来源于矿物质。
煤中矿物质燃烧后形成灰分。
如粘土、石膏、碳酸盐、黄铁矿等矿物质在煤的燃烧中发生分解和化合，有一部分变成气体逸出，留下的残渣就是灰分。
目前，我公司高压煤浆泵入口煤浆灰分偏高（设计值为7.503%），在不同方面对车间及公司造成了不同程度的影响，针对这一现象，车间收集了1月27日至2月13日的相关数据，从不同方面对其进行分析，具体内容如下：
一、煤浆中灰分对粗甲醇产量的影响
根据系统实际运行情况，车间收集了2011年1月27日至2月13日的相关数据（表1），具体分析了灰分对粗甲醇的影响：
由表1可知，18天煤浆的平均消耗量为1984.603t/d；煤浆中的灰分平均含量为16.14%；煤浆中的可燃物平均含量为1664.288 t/d；甲醇（粗）平均产量为1449.728t/d，吨甲醇（粗）耗煤浆中可燃物平均值为1.148t/t。
假设我车间在每天耗煤量不变（1984.603t/d）、吨甲醇（粗）耗煤浆中可燃物含量不变（1.148t/t），煤浆中灰分含量每降低1%对粗甲醇产量的影响见表2：
由表2可知，煤浆中灰分含量每降低1%，粗甲醇产量将增加17.287t/d。
通过对国泰、鲁化单位的调研发现，兄弟单位的煤浆中灰分含量在8—9%之间，如果我公司煤浆中灰分含量由目前的16.14%
（平均值）下降到8.14%，粗甲醇产量将增加138.3t/d.根据经验值，粗甲醇对应精甲醇的比例为95%左右，所以相应的每天精甲醇产量将增加138.3*95%=131.985 t/d，既每小时精甲醇产量增加131.985/24=5.47t/h，按系统年累计运行时间8000h小时计算，每年将增加精甲醇产量为8000*5.47=43794.96t/a。
二、煤浆中灰分对氧气消耗的影响
相关数据见表3，分析如下：
由表3可知，18天煤浆的平均消耗量为1984.603t/d；煤浆中的灰分平均含量为16.14%；煤浆中灰分平均含量为320.315 t/d；灰分平均耗氧量4.089KNm3/t。
假设我车间在每天耗煤量不变（1984.603t/d）、煤浆中灰分耗平均氧量不变（4.089），煤浆中灰分含量每降低1%对氧气消耗的影响见表4：
表4 煤浆中灰分对耗氧量相关数据
由表4可知，煤浆中灰分含量每降低1%，氧气消耗将减少81.15KNm3/d。
通过对国泰、鲁化单位的调研发现，兄弟单位的煤浆中灰分含量在8—9%之间，如果我公司煤浆中灰分含量由目前的16.14%（平均值）下降到8.14%，耗氧量将减少649.204 KNm3/d，既每小时耗氧量将减少649.204/24=27.05KNm3/h，按系统年累计运行时间8000h小时计算，每年将减少耗氧量为
27.05*8000=216401.336KNm3/a。
三、煤浆中灰分对粗煤气产量的影响
相关数据见表5，分析如下：
由表5可知，18天煤浆的平均消耗量为1984.603t/d；煤浆中的灰分平均含量为16.14%/d；煤浆中的可燃物平均含量为1664.288 t/d；粗煤气平均产量为9510.218KNm3/d；粗煤气消耗煤中可燃物平均值为0.175 t/ KNm3。
假设我车间在每天耗煤量不变（1984.603t/d）、粗煤气耗煤中可燃物含量不变（0.175t/KNm3），煤浆中灰分含量每降低1%对粗甲醇产量的影响见表6：
由表6可知，煤浆中灰分含量每降低1%，粗煤气产量将增加113.406KNm3/d。
通过对国泰、鲁化单位的调研发现，兄弟单位的煤
浆中灰分含量在8—9%之间，如果我公司煤浆中灰分含量由目前的16.14%（平均值）下降到8.14%，粗煤气产量将增加907.247 KNm3/d,既每小时粗煤气产量将增加907.247/24=37.8KNm3/h，按系统年累计运行时间8000h小时计算，每年将减少耗氧量为
37.8*8000=302415.6KNm3/a。
四、其他方面的影响
煤中灰分的增加，增加了无效的运输，加剧了我公司运输的紧张。
从动力学来讲，煤用作动力燃料时，灰分增加，煤中可燃物质含量相对减少。
矿物质燃烧灰化时要吸收热量，大量排渣要带走热量，因而降低了煤的发热量，影响了气化炉的操作（易结渣），加剧了设备磨损，增加排渣量；一般灰分每增加2%，发热量降低100kcz1/kg左右。
综上所述，煤浆中的灰分对公司的整个系统影响是巨大的，降低煤浆中的灰分含量对于增加甲醇产量、降低耗氧量及气化炉的安全稳定长周期运行都起到了非常重要的作用。