气化型煤生产技术简介
中国矿业大学化工学院 武建军
•引言
•气化用煤的质量要求
•粉煤成型原理
•型煤性能及其测定方法
•影响型煤强度的因素
•生产工艺的关键问题
引言
•中小型化肥面临的问题
– 缓解无烟块煤供应紧张状况
关井压产 机械化开采 运输限超
– 解决筛余末煤利用途径
20~30%末煤降价出售
– 降低化肥生产成本
>70%的成本在煤炭
——体现出发展气化型煤的意义
一、气化用煤的质量要求
煤的气化是把固体燃料煤转化为煤气的过程。通常用氧气、空气或水蒸气等作为气化剂，使煤中的有机物转化成含H2和CO等成分的可燃气体。根据气化剂和煤气成分不同大致可分为空气煤气、混合煤气、水煤气和半水煤气等。
常压固定床煤气发生炉煤质要求
•对煤的适应性较强，可采用的煤种有长焰煤、不粘煤、弱粘煤、1／2中粘煤、气煤、1／3焦煤、贫瘦煤、贫煤和无烟煤。
•煤的品种以各粒级块煤为宜，
•灰熔融性软化温度大于1250℃，
•灰分(Ad)不大于24.00%，
•硫分 (t，d)小于2.00%，
•抗碎强度(试验后大于25mm的块)应大于60%，
•热稳定性大于60.0%
•对于无搅拌装置的发生炉，要求原料煤的胶质层最大厚度y小于12.0mm；有搅拌装置的发生炉，则要求y小于16.0mm。
合成氨用煤对煤质的要求
目前国内普遍采用以无烟块煤为原料生产合成氨的原料气，要求原料煤:
–热稳定性TS+6在70％以上
–抗碎强度在65％以上
–灰分小于16％为佳，最高也不应超过24％
–硫含量应尽可能低些，硫含量过高，不仅会污染环境、腐蚀设备，而且进入煤气中的硫(大部分是H2S)还会使催化剂“中毒”，给整个生产工艺带来一系列问题。硫含量一般不应超过2.00％。
–固定碳也是一个很重要的指标，合成氨用煤的固定碳(Fcd)含量应在65％以上
–为使气化炉能顺利运行，煤灰熔融性软化温度以在1250℃以上为宜，否则灰渣容易在气化炉内结疤挂炉，影响产气率和煤气质量，严重时会 造成停炉等事故。
二、粉煤成型原理
•概述
•煤的表面特性与粘结机理
•粉煤成型过程分析
概述
•粉煤成型定义
以适当的工艺和设备，将具有一定粒度组成的粉煤加工成具有一定形状、尺寸
强度及理化特性的“人工”块煤的过程，称为粉煤成型，这种块煤称作。
•型煤特点
型煤与天然煤相比，具有的特点：
– 粒度均匀
– 空隙率大
– 反应活性好
– 煤质改性
•型煤种类
（一）煤的表面特性与粘结机理
•煤是由不同的高分子化合物组成的复杂混合物，主要由缩合芳香核构成，另外含有非芳香碳部分(氢化芳核、环烷烃、含氧官能 团及N、S杂原子)和矿物质。煤的结构单元之间由桥键和交联键形成空间大分子，使煤的大分子间存在着一定的孔隙。根据煤的组成和结构，煤有以下主要表面特性：
–以非极性表面为主，同时也有极性官能团和矿物质存在；
–煤表面有一定的粗糙度和孔隙；
–润湿性差，疏水性较强；
–煤的成型颗粒粒度小，煤在破碎过程中，煤的表面结构被破坏，表面的原子、分子作用不平衡，各种键暴露出来，呈电不中性，且表面能大；
–煤具有可塑性、弹性和脆性。
•煤颗粒之间的粘结能力由煤表面特性决定，在不外加粘结剂的情况下，相互间粘结能力很弱。当煤表面被水润湿时，水化膜少，成型后制品强度不高。这是因为水化膜少，作用较大的毛细管力就很小，而煤粒表面之间范德华力作用范围小，使得物料颗粒间的吸引力与排斥力相差不大。
•无机粘结剂大部分是水溶性物质，具有胶体性质和较强的粘结能力。粉煤中加入无机粘结剂后，在适量水分和一定的外力作用下，煤中矿物质和粘结剂颗粒发生相对滑动，颗粒靠近，导致吸力和斥力同时升高。这时吸引力有毛细管力、接触面上正离子相互作用产生的离子键力和共价键力，吸力较强，并且塑性较大的无机粘结剂在除去外力并经过干燥、固化后，在型煤中起“骨架”作用，因而型煤具有足够的强度。
• 粉煤中加入有机粘结剂时，根据相似相容原理，煤对粘结剂有较强的亲和力。具有活性基团的粘结剂分子和煤中的活性基团(如含氧官能团)通过原子间的共用电子对形成共价键或氢键，非极性分子问也可能产生色散力。有机粘结剂甚至会渗透到煤的微孔结构中，干燥固化后，粘结剂在界面产生啮合力，这些都大大地增加了成型物之间的吸引力，使型煤的强度提高。
•总之，加入粘结剂后，总趋势是增加了颗粒间的内聚力(吸引力)，使型煤获得较高的强度。由于煤炭是由有机物和矿物质组成，极性表面和非极性表面共存，所以成型时选用有机一无机复合粘结剂从理论上讲是合适的。
（二）粉煤成型过程分析
•装料
•加压
•成型
•压溃
•反弹
•在实际生产型煤的过程中，上述的五个阶段往往并不是截然分开的，甚至有时是几个阶段同时发生，关键是要控制成型压力
• P＜Pmax
三、型煤性能及其测定方法
与原煤的性质相比有相同之处，如灰分，挥发分，固定碳，水分，活性等，除此之外，主要是：
•型煤冷强度
•型煤热态强度
（一）型煤冷强度
型煤的冷态强度（意义）主要包括
•抗碎力
型煤的抗碎力是指在强度测定仪上受压时，型煤破碎前所能承受的最大压力，一般以N／球来表示
•落球试验指标
所谓落球试验，是指取一定数量的煤球(如20个 或1kg)试样，装入活底箱内，在离地面2m高处打开箱底，让箱内的煤球自由跌落到12mm厚的钢板上，并如此反复跌落3次，然后用25 mm的筛子进行筛分，将＞25mm部分所占的质量百分数作为煤 球的落球试验指标。
•耐磨性
取煤球试样，放入内焊3条角钢的卧式圆筒型转鼓内，转鼓以25r／min的速度转动4 min后，用25mm的筛子进行筛分，将＞25mm部分所占的质量百分数作为煤球的耐磨性指标
(二)型煤的热态强度
型煤的热态强度（意义）主要包括
•热稳定性
取lkg煤球试样，放入一个带盖的铁盒中。然后，将铁盒放入 850℃的马弗炉内保持15min，取出冷却后，用13mm和1mm的套筛来回筛30次，再分别称量筛出的三部分的质量。将＞13mm部分所占的质量百分数作为煤球的热稳定性指标，并将＜1mm 部分所占的质量百分数作为煤球热稳定性的辅助指标。
•热态抗碎力
取12个煤球试样，放入一个带盖的铁盒中。再将铁盒放入 850℃的马弗炉内保持30min(铁盒刚放入时，马弗炉内的温度要降，因而时间应从炉温回升到850℃时算起)。然后，取出铁盒，并用铁钳将烧红的煤球逐个在压力机上做抗碎力测定，去掉一个最大值和一个最小值，然后以剩下10个煤球的平均值作为煤球的热态抗碎力指标。
四、影响型煤强度的因素
影响型煤机械强度的因素很多，如不同的成型方法、原料煤的性质、配煤情况、粘结剂的种类与添加量、煤料的粒度及组成、成型条件、型煤的形状与大小以及其他外部条件等。
(一)不同的成型方法
•型煤的机械强度在很大程度上取决于成型方法。一般说来，热压工艺所得型煤的冷、热态强度最好，石灰碳化煤球、粘土煤球及粘土一纸浆废液煤球次之，清水湿煤棒最差。同一原料煤经过不同的成型方法生产出型煤的机械强度比较见表
(二)原料煤的性质
成型方法确定以后，原料煤的性质(如变质程度、粘结性、水分等)是影响型煤强度的非常重要的因素。
•煤的变质程度
当采用无粘结剂高压成型时，以选用变质程度低、结构松散、容易粉化、水分较高的年轻褐煤，或是经过风化且含有部分粘结性较强的粘土的无烟煤为宜。总之，硬度小、弹性小、塑性强、粘结性好的原料煤生产出的型煤一般强度较高。
•煤的粘结性
热压型煤是利用烟煤在快速加热过程中产生的具有一定粘结性的胶质体而使粉煤成型
•煤的水分
当采用纸浆废液、腐植酸、石灰、粘土等亲水性粘结剂时，对成型水分均有一定要求。这里的成型水分是指原料煤中的水分与粘结剂中的水分之和。适量的成型水分可以起到润湿和润滑煤料、减少内摩擦以及使粘结剂能够均匀地分布于煤粒表面的作用。各种型煤的适宜成型水分见表
(三)粘结剂种类与添加量
•粘结剂在粉煤成型过程中起着非常重要的作用。不同的粘结剂对同一种原料煤具有不同的粘结效果，同一种粘结剂对不同的 原料煤也具有不同的粘结效果。在已经选用合适的粘结剂以后，确定适宜的粘结剂添加量也是至关重要的。各种粘结剂的适宜添加比例见表
粘结剂成型技术是我国目前应用最为广泛的粉煤成型技术，它具有工艺简单、技术成熟、投资少、成本低等特点。一般要求型煤 粘结剂应具有如下特性：
•有很好的粘结性；
•使型煤具有足够的机械强度、抗湿性及热稳定性；
•使型煤灰分增加少、发热量降低不明显，燃烧与转化性能
有所改善；
•不含有害物质，不危害操作人员身体健康，不污染环境；
•来源广，价格低廉，最好能就地取材，利用下脚料、废弃物等。
•有机粘结剂
有机粘结剂主要有焦油、沥青、淀粉、腐植酸盐、木质素磺酸钠、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯、聚氨酯等
•无机粘结剂
主要有石灰、粘土(包括黄土、红土、白泥、瓷土、膨润土、高岭土等)、水玻璃、石膏、水泥等。
•复合粘结剂
主要有粘土一纸浆废液、粘土一腐植酸、粘土一沥青、淀粉一膨润土、水泥一木质素磺酸钠等。
•腐植酸
腐植酸是由具有芳香结构、性质相似的酸性物质组成的混合物。它广泛存在于泥炭、褐煤和风化煤中。大部分腐植酸以游离的形式存在，少数与钙、镁结合成盐，所以可用强碱抽提。由不同原料制得的腐植酸，其分子量间的差别可达1000倍，其中，风化煤所含的腐植酸为次生腐植酸，分子量较大；褐煤和泥炭中的腐植酸为原生腐植酸，分子量较小。用腐植酸盐作粘结剂，型煤的热强度好
(四)煤料的粒度及组成
•在粉煤成型过程中，较小的煤料粒度一般有助于煤粒间的紧密接触，从而能够提高型煤强度，见表
•但是，如果要求煤料的粒度过细，则会增加煤料破碎时的动力消耗和成型时的粘结剂用量，经济上并不一定合理。一般认为，将煤料粒度控制在＜3mm、且＜1mm部分占70％一90％是比较适宜的。
• 合理的煤料粒度组成能够提高物料的填充密度，从而可以使煤粒之间相互接触得更为紧密。研究表明，煤料的粒度组成一般以粗粒(＞427μm)、细粒(125-427μm)及微粒(＜125μm)三者之 比为3：1：1为宜。
(五)成型条件
•在型煤生产过程中，各种成型条件(如成型压力、成型温度、成型模具以及生球处理等)都将不同程度地影响型煤的机械强度。
•成型压力
在采用粘结剂成型时，一般成型压力都不太大，因为煤料颗粒在有粘结剂存在的条件下比较容易粘结在一起，且也容易压得紧 密。当然，随着成型压力的提高，型煤强度也会有所提高，但当成型压力提高到一定程度以后，型煤强度的提高就不再明显了。采用粘结剂成型时，成型压力一般选为1961—3432N/cm2。
•成型温度
控制适宜的成型温度有利于提高型煤的机械强度。当以纸浆 废液和腐植酸为粘结剂时，成型温度一般控制在60—80℃。因为 在此温度范围内，可以增加粘结剂的流动性，使粘结剂充分覆盖于 煤粒表面，并形成连续而均匀的薄膜，从而有助于煤料颗粒间的相互粘结，使准备好的成型物料具有较好的可塑性，并易于压实和 脱模。在较高温度下成型后的自然降温过程中，型煤表面的水分 蒸发较快，可以提高湿型煤的机械强度
•成型模具
压制煤球的对辊成球机，在压辊上排列着一排排具有一定形 状的球碗，能否压制出质量较好的煤球，上、下两个压辊上的球碗 是否能够较好重合极为关键。压辊上的球碗开始接触时，上、下球 碗的前边缘相接，而后部则以最大的开度张开，随着压辊的转动， 上、下球碗逐渐闭合，并将送入的煤料咬进球碗内，然后靠容积作 用而压制成球。如果上、下压辊上的球碗闭合之后不产生错模，则 球碗内会充满煤料，受力也比较均匀，煤球压制得致密，强度较高；反之，如果上、下压辊上的球碗闭合之后产生错模，则球碗内充料不匀，受力也不均，煤球强度也会随之明显降低
•生球处理
经对辊成球机压制出的煤球，一般均为生球。此时，煤球的强度一般很低。为了使生球的强度能够尽快大幅度提高，还必须对生球进行适当处理。采用不同的煤球生产工艺，其生球的处理方法也不同，如通过干燥、碳化、氧化、热焖、养护等。
•一般要求将煤球中的水分干燥到2％以下。干燥后煤球中水分与煤球的冷、热态强度之间的关系见表
•型煤的形状与大小
型煤的形状与大小对其强度也会有一定影响。就应用较为普遍的煤球形状而言，有卵形、枕形、椭球形、圆柱形、圆饼形、印笼形、中凹形以及马赛克形等十几种。由于受加工机械的限制，我国目前使用较多的是卵形煤球，其次是枕形煤球。煤球的外形要求曲线圆滑，棱角应尽可能少，以提高其耐磨性。另外，还要求煤球的内部应力均匀，能够比较均匀地承受较大外部压力。
就煤球的大小而言，较大的煤球在倒运过程中飞扬损失较小，而且即使煤球摔碎了，其碎块的粒度也仍然较大。但是，煤球太大时不易压实，使用时要达到较高的碳转化率也比较困难。而较小的煤球在压制过程中，煤料则容易得到充分的充填，有利于提高成型压力，煤球强度也较高。然而，如果煤球太小，则在倒运过程中飞扬损失较大，煤球摔碎后的粒度更小。常用的卵形(或椭球形)煤球尺寸为50mm×40mm×30mm，重约60g；枕形煤球尺寸为60mm×60mm×50mm，重约140g
五、生产工艺的关键问题
ü物料混合的均匀性
ü物料计量的准确性
ü水分的均匀性
ü增大成型物料的堆密度
ü成型后处理方式的合理性
ü型煤生产工艺的动态平衡
（一）物料混合的均匀性
•混合设备的混合效果直接影响物料混合的均匀性，最终影响型煤的质量。混合机形式可以分为立式和卧式两种，它们在工作原理和混合效果上各有特点。卧式搅拌机的混合功能很好，适合物料的初步混合，特殊的螺旋叶片也有一定的捏合作用；立式搅拌机的物料捏合作用好，适合物料的后序混合。另外，立式搅拌的时间较长，一般在6-8分钟之间，而卧式搅拌一般为2分钟。在工艺布置上，可用两台卧式搅拌机和一台立式搅拌机，使加粘结剂的粉煤有10分钟的搅拌时间，物料得到充分混合。在设备的选择上，卧式搅拌机选用断开螺旋的双轴搅拌机，兼混合和捏合两种功能，立式搅拌机采多轴敞开螺旋搅拌，捏合效果比单轴和双轴的更好。另外，在生产过程中，建立混合均匀度的定期检测制度，了解因叶片磨损和其它条件波动引起的变化，以便做出及时调整。
（二）物料计量的准确性
•物料的准确计量主要在于计量方式和计量器选择，对于不同原料采用不同方式进行计量。原料煤的给料计量方式分体积定量和重量定量两种。体积定量机械有箱式给料机、圆盘给料机和皮带给料机等；重量定量机械有核子称和电子称等。在以往的工艺中计量只采用其中的一种计量方法，当物料在粒度、水份等条件变化时，计量的波动大，灵敏性差，调节不方便。根据我们的经验，对于粉煤计量用皮带给料机与电子称相结合能达到较满意的效果。皮带给料机给料后设置电子称，物料重量变化信号反馈至皮带给料机，通过调节带速和押门高度可以实现均衡给料。固体粘结剂一般是细粉的干粉，用园盘给料机计量十分方便准确，关键是解决仓内物料的打拱。液体粘结剂可采用计量泵准确计量，也可以采用法门体积定量，同时注意给料的分散性。对易产生堵塞的粘结剂，应设置定期冲洗装置。
(三)水分的均匀性
•粉煤水份的均匀化,通常采用中间堆仓陈化的方法解决。粉煤经过陈化，颗粒内部及颗粒之间的水份相互渗透，毛细管充分吸附水份，把物料中的空气尽量挤出，利用粘结剂与煤粒表面接触，使物料的弹性降低，可塑性提高。中间堆仓的大小，取决于陈化时间，陈化时间因不同煤种有所不同，要通过试验来确定。中间堆仓喂料机的取料程序将按区划分，根据进料的先后次序进行编制。
(四)成型后处理方式的合理性
•合理的后处理方式工艺选择关系到型煤的质量和投资预算。目前在工艺上看后处理方式分三种：养护，烘干和直接使用湿的型煤。采用料仓养护，产品的养护系统设计要根据工艺的要求和成型后型煤的初始性能(如初始抗压强度、跌落强度、水份含量、型煤尺寸和形状等)来确定；烘干系统的设计和设备形式是否合理，直接影响干燥费用和干燥效果，对热源的提供，通风量，入窑气温度等能量分析参数要进行详细的计算；直接使用湿型煤利弊皆有，一方面节省投资，另一方面会造成气化炉能耗增加。
•外销为主的型煤厂，型煤的装车方式多种多样，比较实用的方法是采用可移动皮带和装袋，应根据实际情况进行设计。
（五）型煤生产工艺的动态平衡
•设备的配套选型是解决动态平衡所必须考虑的问题，如皮带的宽度、带速等，应与设备处理能力匹配；，贮仓内物料量应当有一定的可变范围，以缓冲各种因素造成的物料量的波动，例如生产过程的返料使动态平衡变得很复杂 。
为了均衡生产，合理把握设备的操作负荷是十分重要的。如某原料缓动仓或定量给料机，只有在往里加入到一定物料之后，才能往外输送物料。因此，应当通过计算机模拟物料在各工序的平均停留时间，并能做到物料量的及时调整，来维持物料动态平衡。
（五）型煤生产工艺的动态平衡
•设备的配套选型是解决动态平衡所必须考虑的问题，如皮带的宽度、带速等，应与设备处理能力匹配；，贮仓内物料量应当有一定的可变范围，以缓冲各种因素造成的物料量的波动，例如生产过程的返料使动态平衡变得很复杂 。
为了均衡生产，合理把握设备的操作负荷是十分重要的。如某原料缓动仓或定量给料机，只有在往里加入到一定物料之后，才能往外输送物料。因此，应当通过计算机模拟物料在各工序的平均停留时间，并能做到物料量的及时调整，来维持物料动态平衡。
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