煤炭氣化的工藝性質有哪些？

文｜匯錦數能-掌上煤焦

煤炭氣化工藝是將固體的煤最大限度地加工成為氣體燃料的過程，為了使氣化過程順利進行、氣化反應安全，並滿足不同氣化工藝過程與氣化爐對煤質的不同要求，通常需要測定煤的反應性、機械強度、熱穩定性、結渣性、灰熔點和灰黏度等指標，這些指標作為氣化用煤的質量指標。

煤的反應性

煤的反應性又稱為煤的化學活性，指在一定溫度條件下煤與不同氣體介質（如二氧化碳、氧、水蒸氣等）發生化學反應的能力。反應性強的煤在氣化和燃燒過程中反應速度快、效率高。尤其對採用沸騰床和氣流床等高效的新型氣化技術，煤的反應性強弱直接影響到煤在氣化爐中反應的快慢、完成程度、耗煤量、耗氧量及煤氣中的有效成分等。高反應性的煤可以在生產能力基本穩定的情況下，使氣化爐可以在較低溫度下操作，從而避免灰分結渣和破壞煤的氣化過程。在硫化燃燒新技術中，煤的反應性強弱與其燃燒速度也有密切關係。因此，反應性是煤氣化和燃燒的重要特性指標。

圖1 煤的反應性曲線

煤的機械強度

煤的機械強度指煤對外力作用時的抵抗能力，包括煤的抗碎強度、耐磨強度和抗壓強度等物理性質。試驗方法有落下試驗法，轉鼓試驗法，耐壓試驗法等。應用比較廣泛是落下試驗法。

表1 煤的機械強度分級標準

多數情況下要求氣化和燃燒用煤為均勻的塊煤。機械強度低的煤投入氣化爐時容易碎成小塊和粉末，從而使料柱透氣性變差影響氣化爐的正常操作。

煤的機械強度與煤化度、煤巖組成、礦物質含量以及風化等因素有關。高煤化度煤和低煤化度煤的機械強度較大，而中等煤化度的肥煤、焦煤機械強度最小。宏觀煤巖成分中絲炭的機械強度最小，鏡煤次之，暗煤最堅韌。礦物質含量高的煤機械強度較大。煤經風化後機械強度將降低。

中國大多數無煙煤的機械強度好，一般為60%~92%。但也有一些煤成片狀、粒狀，煤質鬆軟機械強度差，一般為40%~20%、甚至20%以下。

煤的熱穩定性

煤的熱穩定性是指塊煤在高溫氣化或燃燒過程中對熱的穩定程度，即塊煤在高溫作用下保持其原有粒度的能力。熱穩定性好的煤在氣化或燃燒過程中能保持原來的粒度，而不碎成小塊或破碎較少；熱穩定性差的煤則在氣化或燃燒時迅速爆裂成小塊或煤粉。輕則爐內結渣，增加爐內阻力和帶出物，降低氣化或燃燒效率，重則破壞整個氣化過程，甚至造成停爐事故。因此，塊煤氣化或燃燒要求煤有足夠的熱穩定性。

表2 煤的熱穩定性分級

中國大多數無煙煤的熱穩定性較好，

TS

+6均在65%以上。如山西晉城無煙煤的

TS

+6高達94。4%~97。2%，陽泉無煙煤的

TS

+6在85。1%~95。5%。但在高變質無煙煤中也有少數煤的熱穩定性不好，如京西大安山煤等。無煙煤的熱穩定性差是由於其結構緻密，加熱時內外溫度差大，引起膨脹不均而破裂。熱穩定性不好的無煙煤經預熱處理後，大多數其熱穩定性可顯著改善。

煤的結渣性

煤的結渣性實際上是指煤中礦物質在高溫燃燒或氣化過程中，煤灰軟化、熔融而結渣的效能。在氣化過程中煤灰的結渣會影響正常操作，降低氣化效率，結渣嚴重時將會導致停產。因此，必須選擇不易結渣或只輕度結渣的煤炭作為氣化原料。由於煤灰熔點並不能完全反映煤在氣化爐中的結渣情況，因而要用煤的結渣性來判斷氣化過程中煤灰結渣的難易程度。

煤的結渣性的測定方法（GB1572）是將3~6mm粒度的煤樣裝入特製的氣化裝置中，用同樣粒度的木炭引燃。以空氣作為氣化介質，在三種不同的鼓風強度下使試樣氣化（燃燒）。待試樣燃盡熄滅後停止鼓風，取出灰渣稱量，經過篩分後測定其中大於6mm灰渣質量佔灰渣總質量的百分數作為結渣性指標。煤的結渣性與煤中礦物質含量和組成有關。礦物質高的煤較易結渣，礦物質中鈣、鐵等低熔點氧化物容易結渣，而SiO2、Al2O3等高熔點氧化物含量高則不易結渣。

煤灰的熔融性和灰黏度

煤灰是煤中礦物質燃燒後生成的各種金屬和非金屬氧化物以及硫酸鹽等複雜的混合物，它們沒有一個固定的熔化溫度，而只有一個較寬的熔化溫度範圍。並且這些煤灰成分在一定溫度下能形成共熔體，這種共熔體在熔化狀態時有熔解煤灰中其它高熔點物質的能力，並改變了熔體成分和熔化溫度。但煤灰的這種熔融特性習慣上仍稱為煤灰熔點。

煤灰的熔融性取決於煤灰的組成。煤灰成分十分複雜，主要有： SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO， MgO和SO3等，如表3所示。煤灰主要成分的含量波動很大，根據煤灰成分可以大致推測煤中礦物質的組成，初步判斷灰熔點的高低。一般情況下煤灰中Al2O3和SiO2含量的比例愈大，其熔化溫度愈高；而Fe2O3、CaO和MgO等鹼性成分的比例愈大，則熔化溫度較低。煤灰熔點也可根據其組成用經驗公式進行計算。

表3 煤灰主要成分的一般範圍

煤灰黏度是指煤灰在高溫熔融狀態下流動時的內摩擦係數。煤灰黏度是氣化用煤和動力用煤的重要指標。煤灰黏度的大小主要取決於煤中礦物組成及組成間的相互作用。一般來說，隨灰渣成分中SiO2和Al2O3含量的提高，灰渣黏度增大；而Fe2O3、CaO、MgO或N2O等增加，則煤灰黏度降低。生產中可採用加入助熔劑和配煤等方法改變灰渣黏度，以適應氣化或燃燒的需要。

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