唐 元，李寒旭，王芳杰

（1.中国石化长城能源化工（宁夏）有限公司，宁夏 银川 750000；2.安徽理工大学，安徽 淮南 232001；3.中国石化石油化工科学研究院，北京 100083）

1 研究背景及意义

中国占据全球最大的煤气化市场[1]。GE水煤浆气化技术在国内工业化应用早且较为广泛，该技术将煤炭与一定量的添加剂在研磨机中水磨，获得类似油浆的悬浮液体，然后与氧气在加压和高温的气化炉内进行反应制得合成气[2]。

煤的成浆性是用煤制备水煤浆难易程度及制成的水煤浆性能优劣程度的量度。一般来讲，有应用价值的水煤浆质量分数宜在60%以上，煤浆质量分数每提高1个百分点，CO+H2体积分数将增加0.5个百分点以上。对成浆性影响最显著的煤质因素是内水、氧碳比、可磨性和灰分。

水煤浆的水分是指水煤浆中的全水分，包括原煤内在水分和外在水分，当煤浆浓度相同时，内在水分高会减少配浆所需水量，造成水煤浆黏度高或难以获得高浓度的水煤浆。

氧碳比直接体现了煤的变质程度。变质程度低，氧碳比高，含氧极性官能团多，煤的亲水性强，就会在煤表面吸附大量的水分子，从而增加煤的内水含量[3-5]。

煤的可磨性直接反应磨煤的难易程度，目前广泛采用哈氏可磨性指数（HGI）来表示。HGI越高，表示煤越易磨碎。可磨性好的煤可以得到更多的微细颗粒，因而提高了堆积效率，易制得高浓度的水煤浆，一般HGI=55～65的煤种为适合高浓度化的煤种。

制浆用煤的灰分通常要求小于12%。灰分高会造成泵、阀、管道及喷嘴的磨损，且灰分每升高1%，可燃物质则相应降低1%，导致气化效率降低[6]。

从经济运行角度来看，筛选原料煤时应统筹考虑原料煤成本及煤质特性，尽可能选择煤中有害物质含量少、可磨性好、灰渣特性好、产气率高的煤种[7]。工程经验表明，煤质是影响气化炉稳定运行的关键因素，也是影响水煤浆成浆性和浆体流变性的首要因素[8]。

范立明等[9-10]的研究表明，GE水煤浆气化炉原料煤选择原则应以煤的“气化性能及稳定性能”为主，同时兼顾煤的成浆性能，并总结提出适合水煤浆加压气化工艺的原料煤质量指标为：灰分≤13%，最高内水质量分数≤8%，操作温度下的灰渣黏度为20 Pa·s～30 Pa·s（流动温度≤1 350℃）。苏倩等[11]以灵武煤田清水营矿煤为对象，研究了其与神木煤和末煤配浆后的成浆性能，结果表明：清水营煤、神木煤、末煤的质量比为50∶40∶10时，其成浆质量分数达59.18%，比清水营煤单独制浆成浆质量分数高8.27个百分点。

中国石化长城能源化工（宁夏）有限公司采用GE水煤浆气化技术，在其自有煤矿未商业化运营以前，GE气化炉采用内蒙煤和陕北榆林煤进行互配，运行状态良好，但是上述两种煤均为非自有煤矿的煤种，且需经过长途运输，不能有效保证原料煤种的持续稳定供应。因此，该公司希望选用价格较低的自有煤矿煤种A作为主力煤种，提高经济效益，但煤种A高钠、高钙、低硅铝比、成浆浓度低、黏度高，不适宜单独制浆。因此本研究的目的是通过配煤制浆，使以煤种A为主要原料的水煤浆达到GE气化炉的入炉煤要求，即采用多原料煤种配浆技术、利用不同煤种的优势来有效提高难成浆煤种的制浆浓度，并对配煤制浆的气化反应特性和技术经济性进行了分析。

2 实 验

2.1 水煤浆制备

原料煤：选用公司自有煤矿A的洗精煤A1和洗混煤A2；根据实际需求，就近筛选采集了宁夏地区煤种B、煤种C、煤种D。

采用干法制浆，将空气干燥基原料煤分别破碎至1.400 mm～2.360 mm(8～14目）、0.425 mm～1.400 mm(14～40目）、0.075 mm～0.425 mm（40～200目）以及小于0.075 mm（200目），取煤粉共计100 g，各目数煤粉质量比为2∶8∶30∶60，配制适合浓度的水煤浆，根据各煤内水含量计算配浆所需添加水量。所有水煤浆配制时均添加质量分数0.2%的木质素磺酸钠，将煤粉和木质素磺酸钠倒入磨煤水中，用电动搅拌器搅拌均匀，电动搅拌器的转速为1 400 r/min～1 500 r/min，搅拌时间为8 min。

2.2 成浆特性测定

使用国家水煤浆工程技术研究中心和成都仪器厂联合研制的NXS-4C水煤浆黏度计测定水煤浆的表观黏度；当黏度大于900 mPa·s时，煤浆管线磨损很快，且极容易堵塞，基本不能够满足生产需要。根据GB/T 18856.2—2008《水煤浆试验方法 第2部分：浓度测定》测定水煤浆的实测浓度；水煤浆的最高成浆浓度是制浆用煤在最优条件下能够泵送的上限临界浓度。采用目测法测定水煤浆的流动性，根据其流动性状分为A、B、C三个等级，每个等级的划分标准如下：A为连续流动，B为间断流动，C为不流动，并以“+”“-”表示更细微的差别。根据GB/T 18856.5—2008《水煤浆试验方法 第5部分：稳定性测定》测定水煤浆的稳定性，将100 mL均匀的水煤浆置于100 mL量筒中，静置72 h后，观察量筒析出水量，析出水质量分数越大，表明水煤浆稳定性越差，一般气化浆8 h析水率要低于5%[12]。

2.3 反应特性测定

使用德国NETZSCH公司的STA 449 F5型热分析仪测定样品的气化反应特性。测试条件：升温速率15℃/min，升温区间25℃～1 400℃，高纯N2（纯度99.999%）作保护气，流量为20 mL/min，炉膛气氛为CO2（纯度99.999%）和N2（纯度99.999%）的混合气，流量均为50 mL/min。

3 煤种成浆性研究

3.1 煤质基础性质研究

各煤种的基础性质分析结果如表1所示。由表1可知，从水分来说，煤种A1、煤种A2和煤种C属于中水分煤，煤种B和煤种D属于低水分煤；从灰分来说，煤种A1和煤种D属于低灰分煤，煤种A2、煤种C和煤种B属于中低灰分煤；从挥发分来说，以上几个煤种均属于中高挥发分煤；从固定碳来说，煤种A2和煤种C属于低固定碳煤，煤种A1、煤种B和煤种D属于中高固定碳煤。综上，对自有煤矿来说，煤种A1性能优于煤种A2；煤种B内水较低、低灰、中等可磨；煤种D具有低内水、低灰分、高固定碳含量、HGI低的特点。

表1 煤基础性质分析

各煤种的灰熔融性温度见表2。GE气化炉对原料煤灰流动温度的要求是小于1 250℃，由表2可知，煤种A1可以满足气化炉要求；煤种A2不满足气化炉要求；煤种C的煤灰流动温度在1 350℃，不能单独用作液态排渣气化炉的原料煤，但是可以通过与其他灰流动温度较低的煤以一定比例互配，降低煤灰流动温度；煤种B、煤种D的煤灰流动温度较低，可满足液态排渣的要求，可单独应用或与其他灰熔融性温度较高的煤配合使用。

表2 各煤种的灰熔融性温度 ℃

煤种A1和煤种A2的灰黏温特性曲线见图1。通常为保证液态排渣气化炉的正常运行，要求温度为1 250℃～1 500℃时煤灰的黏度值应在15 Pa·s～40 Pa·s[13]。由图1可知，煤种A1在1 250℃～1 500℃时灰的黏度值为2 Pa·s～14 Pa·s，能够满足气化炉要求；煤种A2在1 250℃～1 500℃时灰的黏度值为6 Pa·s～130 Pa·s，无法满足气化炉液态排渣要求。

图1 煤种A1、A2的灰黏温特性曲线

3.2 单种煤成浆特性研究

对煤样分别进行单种煤成浆特性分析，结果如表3所示。由表3可知，煤种B、D的成浆性相对煤种A和C较好，表1分析可知煤种B、D性质极为相似，因此煤种B与D的最高成浆质量分数也很接近，均为63%，且基本为硬沉淀；煤种C的最高成浆质量分数为60%，稳定性相对较好；煤种A的成浆质量分数最低，仅为58%，且稳定性差。

3.3 多元配煤成浆特性研究

3.3.1 二元配煤成浆性研究

基于自有煤种A1、备选煤种B及煤种C的性质，分别开展煤种B、煤种C与煤种A1掺配制浆研究。煤种A1二元配煤成浆特性如表4所示。

表4 煤种A1二元配煤成浆特性

由表4可知，煤种A1单煤成浆质量分数仅为58%，且稳定性差；煤种A1与煤种B配煤质量比分别为8∶2、7∶3、6∶4、5∶5时，均能够将水煤浆质量分数提高到60%，且质量比为5∶5时水煤浆黏度最低；但煤种A1与煤种C配煤时基本没有提高成浆浓度，在煤种A1与煤种C质量比为5∶5时，最高成浆质量分数为59%。

3.3.2 三元配煤成浆特性研究

因为煤种A1与煤种A2性质不同，其不同配比对成浆性影响也不同，可视为二元互配，再与煤种B进行互配，称为三元配煤成浆。煤种A1-煤种A2-煤种B三元配煤成浆特性实验结果如表5所示。

表5 煤种A1-煤种A2-煤种B三元配煤成浆特性

由表5可知，在固定煤种A1质量分数为40%、煤种B质量分数由30%增加至50%、煤种A2质量分数则由30%减少至10%时，第二组实验配煤的水煤浆性能最优，其成浆质量分数达到64.04%；在固定煤种A1质量分数为50%时，随着煤种A2的占比增加和煤种B的占比不断减少，配煤水煤浆表观黏度逐渐增大，其中第五组实验配煤的水煤浆最高成浆质量分数为62.23%，第六组实验配煤的水煤浆最高成浆质量分数为61.85%，这两组配煤比例均满足气化炉要求，但第六组配煤可以最大化使用自有煤种；在增加煤种A1质量分数至60%～80%时，最高成浆质量分数为61.74%。

从以上十四组实验来看，第二组实验煤种A1、煤种A2、煤种B质量比为4∶2∶4的水煤浆性能最优，但由于煤种A1和煤种A2为自有煤种，在保证配煤满足气化炉要求的基础上，应尽可能增加煤种A1和煤种A2的掺配比例，因此优选第六组煤种A1、煤种A2、煤种B质量比为5∶3∶2的配煤方案。

3.3.3 煤种A三元配煤气化反应特性

结合煤种A1-煤种A2-煤种B配煤成浆特性研究结果，优选出煤种A1、煤种A2掺配比例较高且成浆性能较好的第二组、第六组、第九组、第十一组配煤实验方案进行气化反应特性研究，结果如图2所示。

图2 煤种A三元配煤的TG-DTG曲线

由图2可知，四种配煤的热重曲线都有两个失重区间：400℃～800℃、800℃～1 200℃，分别对应的是挥发分的分解和碳的气化反应；四种配煤的起始反应温度均较低，反应性均较好。从DTG曲线可以看出，四个样品在0～150℃之间的失水速率为-2.5%/min～-1.5%/min，在400℃～450℃失重速率为-2.0%/min～-1.5%/min，煤种A1、煤种A2、煤种B质量比为7∶1.5∶1.5的样品在1 000℃～1 500℃的失重速率最大，为-4.47%/min。

煤种A三元配煤气化反应性特征数据见表6。

表6 煤种A三元配煤气化反应性特征数据

由表6可知，煤种A1、煤种A2、煤种B质量比为4∶2∶4、5∶3∶2、7∶1.5∶1.5、6∶2∶2时，气化起始温度分别为1 002.0℃、1 003.1℃、1 002.1℃、1 001.6℃，反应性指数R0.5分别为6.96×10-3、7.09×10-3、7.06×10-3、6.89×10-3，三种煤配比为5∶3∶2时气化反应性较好。煤种A1与煤种A2、煤种B进行配煤能够在保证气化反应特性较好的前提下提高成浆浓度，同时灰熔融特性变化不大，验证了配煤方案的可行性，具有一定的经济效益和社会效益。

3.3.4 煤种A三元配煤的技术经济分析

在氧煤比为0.9、气化压力为4 MPa的气化反应条件下，煤种A1、煤种A2、煤种B三元配煤优选方案如表7所示，各方案气化经济性分析结果（每1 000 m3有效气的消耗及成本）见表8。

表7 煤种A三元配煤优选方案

由表8可知，多元配煤方案中方案B（煤种A1、煤种A2、煤种B质量比为5∶3∶2）总成本最低。

表8 煤种A三元配煤方案经济性分析结果（每1 000 m3有效气的消耗及成本）

4 结论和展望

4.1 宁夏地区四种原料煤成浆性能：煤种B、煤种D＞煤种C＞煤种A，煤种B与煤种D性质相似，煤种A成浆质量分数低（仅为58%）、黏度高、且稳定性差，不适宜单独制浆。

4.2 煤种A1与煤种B配煤，可以将水煤浆质量分数提高到60%，与煤种C配煤基本没有提高成浆浓度。

4.3 煤种A1、煤种A2、煤种B以质量比4∶2∶4、4∶1∶5掺配时，最高成浆质量分数为62%，以5∶3∶2掺配时最高成浆质量分数为61%。由于煤种A1和煤种A2为自有煤种，在保证配煤满足气化炉要求的基础上，应尽可能增加煤种A1和煤种A2的掺配比例，综合来看，煤种A1、煤种A2、煤种B质量比为5∶3∶2的配煤方案成浆性和气化反应性都较好，且气化总成本最低，应用效益明显。

4.4 当前水煤浆气化炉配煤技术有着广阔的市场前景。将价格较低、不适宜单独制浆的自有煤矿煤种通过配煤制浆，提高其成浆性能，并作为水煤浆气化炉的主力煤种，具有一定的经济优势，可使宁夏地区实现煤炭资源就地转化，把资源优势转化为经济优势，对深化宁夏地区产业结构战略性调整具有重要意义。