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摘要：研究了晋城矿区高硫无烟粉煤的煤灰特性，特别是灰熔点和黏温特性。针对这些特性，通过大量基础分析和试验，采用添加助熔剂的方法，成功将入炉煤灰熔点降低至1 300℃左右，保证了气化炉的稳定运行。
关键词：高硫无烟粉煤；灰熔点；助熔剂；高效；添加比例
晋城矿区高硫无烟粉煤的灰熔点和黏温特性是气化用煤的重要指标。对于采用液态排渣技术的气流床气化炉，煤灰的熔融特性直接决定了一个煤种是否适用于该技术[1-2]。此外，水冷壁气化炉采用“以渣抗渣”技术，煤灰的黏温特性是决定能否形成均匀渣层和气化炉顺畅排渣的关键[3-4]。因此，研究无烟煤的煤灰特性对于气化利用和煤灰调控具有重要意义。
1无烟煤在气流床气化运行中存在的问题
晋城矿区高硫无烟粉煤灰熔点高，均大于1 500℃,部分甚至超过1 580℃,并且黏温特性差。为满足气流床气化炉的液态排渣，气化炉操作温度需高于入炉煤灰熔点50～100℃,主要会产生以下问题：
1）煤炭热解气化在950℃以上，由于液态排渣控制温度高于1 500℃,这个温度空间需要额外消耗大量氧气来实现，由于氧气的过多加入，使得煤气中的部分有效气一氧化碳与氧气发生反应，导致有效气组分下降，消耗上升；
2）高温区操作稳定性更差，安全性更低；
3）黏温特性差会造成煤灰呈流动态的温度区间窄，可供工艺操作控制的范围小，气化炉操作难度大，稳定性差，极易造成结渣或炉渣挂壁不好引起的气化炉停炉事故发生。
为解决上述问题，行业内一般采用添加石灰石的方式降低高硫无烟粉煤的灰熔点，但采取此类方法仅能将灰熔点降至1 400℃,并不能很好地解决上述问题。
通过持续开展降低高硫无烟粉煤灰熔点的相关研究，通过改善无烟煤灰组分将入炉煤灰熔点降低至1 300℃以内，获得了非常好的经济效益。
2无烟煤的煤灰特性研究
煤灰的熔融特性和黏温特性也是气化用煤的重要煤质指标，对于采用液态排渣技术的气流床气化炉，煤灰的熔融特性直接决定了一个煤种是否适用于气流床气化。此外，水冷壁气化炉采用“以渣抗渣”技术，煤灰的黏温特性是决定能否形成均匀渣层和气化炉顺畅排渣的关键。针对无烟煤特殊的煤灰特性，航天炉依托特有的无烟煤数据库，对无烟煤的煤灰化学组成和熔融、黏温特性开展了大量研究，为无烟煤的气化利用和煤灰调控奠定了基础。
在实际工业生产中，各企业多采用配煤或添加助熔剂的方式调控灰熔点。较高灰熔点煤中含有较少的酸溶性矿物质，在高温下通过添加Ca2+、Fe2+等物质，可以明显降低灰熔点，但助熔剂的效果、添加量与煤质的关联度较大，且助熔剂的添加比例与灰熔点的变化不构成线性关系，需要根据使用煤的实际特点进行调整，选取最适合的添加比例。
2.1寺河2#井煤质工业分析与灰熔点测定
对高硫无烟煤多次实地取样，进行大量基础分析，表1为投运前共计137次分析的汇总结果：固定碳含量较高，水分适中，挥发分低，灰分很高，经过洗选后将灰分降低到20%左右，属于易洗选煤，洗煤的发热量较高。
2.2高硫无烟粉煤灰组分测定
对高硫无烟粉煤的灰分进行测定，为进行降低灰熔点的调整研究奠定了基础。从表2可看出，高硫无烟粉煤煤灰主要组成为酸性氧化物氧化硅和氧化铝，两者总和约85%，而碱性氧化物较低，总和约为12%，酸碱比已经接近7∶1。
研究表明，酸性氧化物具有提高煤灰熔融温度的作用，其含量越高，煤灰熔点越高；相反，碱性氧化物具有降低煤灰熔融温度的作用，煤灰熔点随其含量增加而降低。但是当碱性氧化物升高到一定程度时，煤灰熔点反而会升高。
此外，煤在高温气化过程中，煤灰中的化合物不仅会受热发生熔融等物理变化，还会发生复杂的化学反应生成各种矿物质和共融物，煤灰在高温下生成矿物质的种类和含量，是影响煤灰熔融温度的直接原因。利用FactSage热力学计算软件，对晋城无烟煤煤灰在高温气化条件下的矿物质组成和含量进行了计算。由图1可知，晋城无烟煤在高温下会生成大量的莫来石，莫来石由于熔点很高是常用的耐火材料，因此莫来石的生成是导致山西无烟煤灰熔点高的重要原因。
2.3无烟煤的黏温特性
航天炉气化采用“以渣抗渣”原理，通过在耐火材料表面形成稳定的固液渣层，有效地提高了水冷壁的使用寿命。煤灰的黏温特性对水冷壁挂渣、液态排渣以及操作温度的确定具有重要的指导作用。黏度值偏低时壁面渣层薄，不能起到“以渣抗渣”的目的，黏度值太大又可能导致排渣不畅。此外，黏温曲线较陡时，灰渣的黏度随温度波动而剧烈变化，不利于形成稳定的渣层，降低了灰渣对水冷壁的保护作用，黏度突然增大甚至会导致排渣口堵塞。根据航天炉的运行经验，气化炉操作温度下煤灰的黏度值应控制在2～50 Pa·s，同时其对应的温度区间大于100℃,以保证较宽的操作区间。
图2是我国几种典型无烟煤的黏温曲线，可以看出，我国典型无烟煤黏度为2 Pa·s时对应的温度均高于1 600℃,50 Pa·s对应的温度均高于1 550℃,这意味着无烟煤要实现液态排渣，气化炉的操作温度至少要高于1 550℃。对于晋城无烟煤，气化操作温度甚至要高于1 600℃,这必然导致气化消耗的增加，同时也会对气化设备的安全性和可靠性造成很大影响。此外，无烟煤的黏温特性均为典型的结晶渣，即在一定温度下，煤灰的黏度值会突然增大。
无烟煤黏度为2~50 Pa·s对应的温度区间均小于100℃,气化过程中炉温稍有波动就会导致黏度值突然增大，极大地增加了气化炉堵渣的风险，因此无烟煤直接气化利用时操作温度区间小，不利于气化炉的稳定高效运行。
3高硫无烟粉煤降低灰熔点及改善黏温特性研究
针对我国无烟煤灰熔点高、黏温特性差，不适宜直接应用于气流床气化的特点，通过煤灰特性的调控研究，系统考察了新型助熔剂及其添加比例对晋城无烟煤的灰熔融温度、黏温特性以及矿物质组成的影响，并与传统助熔剂石灰石进行了对比。
3.1添加石灰石降低灰熔点研究
煤灰熔融温度的测定采用角锥法：将煤灰和糊精混合，塑成一定大小的三角锥体，放在特殊的煤灰熔融温度测定炉中以一定的升温速度加热,观察并记录灰锥变形情况及其4个特征温度：变形温度（DT）、软化温度（ST）、半球温度（HT）和流动温度（FT），其中ST为固态排渣气化技术考虑的指标，FT为液态排渣气化技术考虑的指标。
采取添加不同比例石灰石的方式降低高硫无烟粉煤的灰熔点，汇总数据见表3：
从表3看出，用添加石灰石的方式存在一个“极点”，当石灰石添加到一定比例时，灰熔点不再降低反而出现上升情况，经过大量实验室的反复测定，添加2.5%石灰石是能达到的最好效果。
同时，对2.5%石灰石质量占比下的黏温特性进行测定，较好地改善了高硫无烟粉煤的黏温特性。如图3所示，黏温曲线明显趋于平缓，灰渣黏度为2~50 Pa·s区间对应的操作温度为1 380～1 438℃,操作窗口有53℃,满足航天炉液态排渣的运行要求。
3.2石灰石添加高效助熔剂，进一步降低灰熔点研究
添加石灰石的方式基本能实现航天炉的稳定运行，但还达不到经济运行的要求，因此必须进一步降低入炉煤的灰熔点。
针对高硫无烟粉煤灰组分特点，以直接调整灰组分的理念，添加铁粉和镁粉助熔剂，对灰分中的酸碱比进一步调整，达到进一步降低灰熔点的目的。
通过引入高效助熔剂，实现了入炉煤灰熔点的进一步降低，通过不同添加比例的高效助熔剂试验，使入炉煤灰熔点降低至1 300℃以下。
从表4看出，添加高效助熔剂后灰熔点下降明显，质量占比达到3.5%后灰熔点趋于平缓，综合考虑运行经济性等因素，确定以高硫无烟粉煤＋3.5%高效助熔剂的方式进行运行。
同时，对高硫无烟粉煤＋3.5%高效助熔剂样进行黏温特性测定，黏温曲线（图4）较添加石灰石时更加平缓，灰渣黏度2～50 Pa·s区间操作窗口有62℃。
3.3进一步降低高效助熔剂比例，提高运行经济性
根据原始设计试验得出新配方助熔剂在3.5％即可满足航天炉运行要求，新配方助熔剂通过调和高硫煤中碱性氧化物含量进而达到降低灰熔点的目的，加的量越大对于航天炉运行中的比氧耗、有效气产量都有着一定的影响。
因此根据气化炉实际运行炉况对助熔剂的加入量也进行适当的调整，既能够达到满足航天气化炉运行（主盘密度、合成气产量、气化炉炉温等）的要求，又能够达到经济运行的更优化。
从表5能够看出，将助熔剂质量占比由原来的3.5％下降至3.1％后，气化炉运行的各项参数仍然能够满足要求，运行产出的有效气含量有所上涨，虽然灰熔点有所升高，但仍在有效控制范围内，未对气化炉造成影响。但是由此带来的效益却是巨大。
对改变原料煤助熔剂前后稳定运行的主要数据（数据采集添加石灰石和添加新型助熔剂各连续稳定运行15 d的平均值）进行对比，添加新型助熔剂后对运行情况的改善见表6。
同时，由于入炉煤灰熔点的降低，操作温度也有下降，对延长航天炉的烧嘴、主盘管、激冷环等核心设备的运行周期起到一定作用，减少了高温操作下的其他风险，还有一部分隐性收益。
4结论
本研究通过对晋城高硫无烟粉煤的煤质特性和降低灰熔点方案的研究，得出以下结论：
1）高硫无烟粉煤具有高灰分、低挥发分的特点，洗选性能良好，但灰熔点很高，给气化炉操作带来挑战；
2）助熔剂的添加比例需要根据实际情况进行调整，以获得最佳的降低灰熔点效果；
3）通过添加助熔剂的方法，可以有效地降低无烟煤的灰熔点，提高气化炉的操作稳定性，减少结渣现象的发生；
4）本研究为无烟煤的气化利用和煤灰调控提供了重要依据，对于提高气化炉的操作效率和稳定性具有重要意义。
综上所述，本研究针对晋城矿区高硫无烟粉煤的煤质特性和降低灰熔点方案进行了深入研究，取得了重要的研究成果。这些成果不仅有助于提高气化炉的操作效率和稳定性，而且对于推动无烟煤的高效利用和煤炭行业的可持续发展具有重要意义。
参考文献
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[2]张龙，黄振宇，沈铭科，等.不同灰熔点调控方式对煤灰熔特性的影响[J].燃料化学学报，2015（2）：145-152.
[3]王红林.晋城无烟煤对气流床气化技术的适应性探究[J].煤炭加工与综合利用，2017（10）：42-45.
[4]杨丽超.晋城无烟煤灰熔融温度的助熔调控方法研究[J].煤质技术，2021（4）：51-56.
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