煤炭制备技术的历史及现状.doc

1绪论1.1 煤炭气化发展及现状煤炭从古代起就已经为人类所开发应用，主要用作燃料，随着社会的发展对煤炭的开发应用也逐渐变的多层次化，在十九世纪和二十世纪国外就已开始发展煤炭气化和液化技术并取得成就，但是随着石油和天然气的开发应用，其逐渐取代了煤的位置，近年来由于石油和天然气资源的日益枯竭，让人们的注意力不得不转移到煤炭化工上来再次投入到煤炭化工的热潮中来。煤炭化工即煤炭制备技术，可分为煤炭气化、煤炭炼焦、煤炭液化。目前在世界上较为成熟并用的比较广泛有德士古水煤浆气化技术、壳牌（Shell）气化技术，在这两种技术为基础的情况下，中国航天设计院经过不懈的努力与研究研制出一套专利的设备中国航天气化炉（HT-L），其主要专利技术主要在于其烧嘴，在经过对壳牌和德士古研究后结合自己的新设计理念设计出属于自己的专利设备，改变了我国在气化处于落后的境况，使我国也拥有了自己的先进的气化设备与技术，为以后气化的进一步发展奠定了基础。1.2 煤炭炼焦发展及现状早在16世纪人们就已经开始发展高温炼焦，它始于炼铁的需要，几百年来高温炼焦随冶金、化工的发展而不断变革。近几十年来随高炉技术的发展和能源构成的变化，高温炼焦技术正在出现新的进展。目前，虽然炼焦工业取得了很大成就，炼焦技术达到了一定的发展水平，但由于种种原因，炼焦工作者仍需不断地研究和开发炼焦新技术。到目前为止，虽然世界上已经研制出一些铁矿石直接还原的中间试验设备，但预计在今后20年，甚至更长时期内，还不可能用新的冶炼工艺取代传统的冶炼工艺，高炉仍将是炼铁的主要设备，焦炭仍将是炼铁的主要燃料。近年来高炉炼铁技术发展相当迅速，高炉已进入大型化和电子计算机控制的时代，许多国家已建造了达容积高炉。高炉冶炼技术的发展也进一步要求我们对煤炭原料做到更高的要求，对煤炭质量要求越来越严格，焦炭的高温性能、显微结构合其他新的检验和评定焦炭质量的方法逐步得到应用。同时随着科技的发展，焦炉也日益趋于大型化，对其操作的机械化和自动化提出两人更高的要求。目前国内技术也主要在干熄焦上做研究和技术攻关，以减少对环境的污染。在炼焦中煤炭的结焦性和黏结指数也相当重要，因此在炼焦中要合理的配煤进行炼焦。1.3 煤炭液化发展及现状二战期间在德国煤炭气化得到迅速发展，1932年采用一氧化碳与氢通过费-托合成法生产液体燃料获得成功，1934年德国鲁尔化学公司应用此研究成果创建了第一个F-T合成油厂，1936年投产。不仅在德国，在南非煤炭液化的历史也比较悠久，早在1927年南非当局注意到依赖进口液体燃料的严重性，因此发展了煤炭液化的新途径，在经济技术不断发展的情况下，液化技术也不断完善和提高，主要分为直接液化和间接液化。现在液化主要是生产甲醇、低碳烯烃的重要中间体，以及其他的有机油类产品，目前研究较多如煤炭液化制取乙二醇从而来制取所说汽车用的燃油。在液化技术中，液化的煤种煤质也有相应严格的要求，在含硫量上，以及工业分析中灰分、水分、挥发分、固定碳要求都要严格，否则会对煤炭液化造成很大的影响，使煤炭利用率严重降低，因此在液化中也要对煤进行性质的测定及分析以便能更好的利用煤炭进行液化。当前煤炭液化作为一个新的技术被各个国家重视并且进行发展，在将来一定会更大的用途为人们服务。1.4 影响煤炭制备的因素在煤炭制备过程中，无论是气化、炼焦，还是液化，都受到煤炭性质等的影响。主要有煤炭种类，如煤有高品质煤和低品质煤，即煤化程度高的煤和煤化程度低的煤；煤质，主要是煤的成分，煤的主要成分是碳，由于煤形成的年代较为久远，因此煤中含有其他的元素等也对煤造成影响，如煤的灰分、硫分、挥发分、水分等，还有就是煤的黏结性和煤灰渣的熔融性等都会对其造成很大影响。1.5 分析研究煤炭性质的意义通过对煤炭性质的研究和分析，了解煤炭的主要性质，并且能够清楚的认识到煤炭的性质对其造成的危害，通过合理的配合煤进行综合的利用，从而也达到煤炭综合高效利用的目的，提高效率，降低有害物质对环境的污染。1.6 本课题分析研究的主要内容 本课题主要对煤炭制备技术的历史及现状做一个总结，通过搜集资料和借鉴大量实验数据对煤炭制备技术方面做一个简单的分析和总结，通过实验数据说明煤炭化工方面存在的问题以及如何改进。2 文献综述2.1 煤炭气化煤的气化是指以煤或煤焦为原料，以氧气（空气、富氧或工业纯氧）、水蒸气作为气化剂，在高温高压下通过化学反应将煤或煤焦中的可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程。2.1.1 煤炭气化技术根据煤炭气化情况的不同，煤炭气化可以分成地面气化和地下气化。2.1.1.1 地面气化将煤从地下挖掘出来后再经过各种气化技术获得煤气的方法称地面气化。地面气化技术是目前最常用的技术，随着新工艺、新设备、新技术的开发和利用，地面气化技术越来越成熟和完善，各种方法也都广泛推广应用到实际生产过程中。煤炭气化根据给热方式不同可分为外热式气化和内热式气化。内热是煤在气化时不需外界供热，利用煤与氧反应放出热量来达到反应所需温度，即燃烧一部分气化所用燃料，将热量积累到燃料层里，再通入水蒸气发生化学反应制取煤气；外热式气化是指利用外部给气化炉提供热量的过程。其热源可由加热外部炉壁来加热来加热燃料，炉壁需选用耐火度高且导热性好的材料；同时也可用高度过热水蒸气；另外也可用加热水蒸气和粉末燃料的混合物到1100°C，达到水煤气反应温度。煤煤气水蒸气热量 外热式 8001800°C 0.14Mp煤空气或氧气水蒸气灰渣煤气 内热式2.1.1.2 地下气化技术煤炭地下气化是将未来开采的煤炭有控制地燃烧，通过对煤的热化学作用生产煤气的一种气化方法。一般可用于煤层薄、深部煤层、急倾斜煤层等。这一方法有效地提高了煤炭资源的利用率，将建井、采煤、转化工艺集为一体，减少了煤炭生产过程中的危险和对环境造成的破坏。煤炭地下气化是世界煤炭开发利用的方向之一，将常规的物理采煤变为化学采煤，把煤炭在地下燃烧气化，一次性转化为清洁的可供终端用户应用的能源与化工原料，实现地下无人、无生产设备采煤，与传统采煤和煤炭气化工艺相比，具有显著的经济和社会效益以及良好的环保效果。2.1.2 几种气化法工艺简述2.1.2.1德士古水煤浆气化炉工艺流程将原料煤、水及添加剂等送入磨机磨成水煤浆（出磨机水煤浆浓度为65%），由高压煤浆泵送入气化炉烧嘴。来自空分的氧气经氧气缓冲罐稳压后送入烧嘴。送入炉内的水煤浆和氧气在高温加压后发生部分氧化反应，气化炉膛内温度13501400°C。离开气化炉的粗合成气和熔渣进入激冷室，粗合成气经第一次洗涤并被水淬冷后，温度降低被水蒸汽饱和后出气化炉；气体经文丘里洗涤器、碳洗塔洗涤除尘冷却后送至变换工段。气化炉反应中生成的熔渣进入激冷室水浴后被分离出来，在渣收集阶段排入渣斗，定时排入渣池，由捞渣机捞出后装车外运。渣收集阶段渣斗上部的黑水一部分用锁斗循环泵抽出循环回气化炉，用于冲气化炉激冷室的渣。来自灰水处理工段的灰水进入碳洗塔，碳洗塔中部排出的较清洁的灰水循环泵加水后分别送文丘里洗涤器及气化炉激冷环，用于洗涤粗合成气。气化炉、碳洗塔排出的黑水经四级闪蒸后送往澄清槽进行处理。2.1.2.2 壳牌（Shell）气化炉工艺流程原料煤在磨煤机中被磨成煤粉（90%小于100m）并干燥，煤粉由高压氮气送入气化炉喷咀。来自空分的氧气经氧气预热器加热到一定温度后与中压过热蒸汽混合并导入喷咀。送入炉内的煤粉、氧气及蒸汽在高温加压条件下发生部分氧化反应，气化炉顶部约1500°C的高温煤气与经冷却后的煤气激冷至900°C左右进入废热锅炉，经回收热量后的煤气温度降至350°C进入除尘和湿式洗涤系统，处理后的煤气含尘量小于1mg/m3，温度为150°C的煤气送后工序。从洗涤塔排出的黑水在闪蒸罐进行减压闪蒸，闪蒸液再进汽提塔，经初级处理后的灰水送至界区外的污水处理装置进一步处理。闪蒸气及汽提气送锅炉作燃料气。在气化炉燃料段产生的高温熔渣，流入气化炉下部激冷形成玻璃体流入锁斗后定期排放，排出的炉渣经捞渣机运走，捞渣池的灰水送至闪蒸槽及汽提塔一并处理。锁斗内的灰水经锁斗循环泵升压并冷却后返回气化炉底部激冷室。2.1.2.3 航天气化炉工艺流程航天气化炉是中国航天科技院根据德士古和壳牌（Shell）气化技术研究开发的一套具有自主专利的气化技术，是国产的最先进的技术。其工艺流程：来自原料煤仓的碎煤经称重给煤机计量后进入磨煤机。原煤在磨煤机内磨成煤粉，并由高温惰性气流烘干、输送，通过粉煤袋式过滤器实现粉煤与惰性气体的分离。粉煤由螺旋输送机进入常压粉煤仓，惰性气体循环利用。经研磨分离合格的粉煤储存在常压粉煤仓内，通过粉煤锁斗连通粉煤 给料罐；粉煤锁斗常压进料，加压向粉煤给料罐放料，循环运行。粉煤给料罐连续向气化炉烧嘴供料，并与气化炉之间保持恒定的压差。粉煤经3条煤粉管线进入气化炉烧嘴，氧气经氧气预热器加热后的氧蒸汽混合器内与蒸汽混合，按一定的比例进入气化炉烧嘴。粉煤在气化炉内燃烧并发生反应，生成的合成气主要成分是H2和CO。合成气经激冷环进入激冷室，在激冷室内合成气经过降温、增湿、除尘和洗涤，被水饱和，熔渣迅速固化。合成气出气化炉后，经文丘里洗涤器、合成气洗涤塔进一步增湿、除尘、洗涤。除尘后的合成气进入变换工序。粉煤燃烧后形成的灰渣沉积在激冷室水中，绝大部分灰渣迅速沉淀并通过渣锁斗系统定期排出。粉煤在气化炉内燃烧并发生反应，生成的合成气主要成分是H2和CO。合成气经激冷环进入激冷室，在激冷室内合成气经过降温、增湿、除尘和洗涤，被水饱和，熔渣迅速固化。合成气出气化炉后，经文丘里洗涤器、合成气洗涤塔进一步增湿、除尘、洗涤。除尘后的合成气进入变换工序。粉煤燃烧后形成的灰渣沉积在激冷室水中，绝大部分灰渣迅速沉淀并通过渣锁斗系统定期排出。2.2 煤炭炼焦烟煤隔绝空气加热到9501050°C，经过干燥、热解、熔融、黏结、固化、收缩等过程最终制得焦炭，这一过程叫高温炼焦。炼焦得到的焦炭可供高炉冶炼、铸造、气化和化工等工业部门作为燃料或原料；炼焦过程中得到的干馏煤气经回收、精制可得到各种芳香烃和杂环化合物，供合成纤维、染料、医药、涂料和国防等作工业做原料；还可以经净化后做为合成氨、合成燃料和一系列有机合成工业的原料。2.2.1 煤炭炼焦历史及发展从16世纪人们就已经开始发展高温炼焦，它始于炼铁的需要，几百年来高温炼焦随冶金、化工的发展而不断变革。炼焦的焦炉也随着发展，由最早的土法炼焦到现代的蓄热式焦炉有了很大的进步与发展。近几十年来随高炉技术的发展和能源构成的变化，高温炼焦技术正在出现新的进展。目前，虽然炼焦工业取得了很大成就，炼焦技术达到了一定的发展水平，但由于种种原因，炼焦工作者仍需不断地研究和开发炼焦新技术。由于近年来高炉炼铁技术发展相当迅速，对焦炭质量的要求也日益严格，传统的冷态强度、化学组成、筛分组成等指标已不能全面评定焦炭质量。焦炭的高温性能、显微结构和其他新的检验和评定焦炭质量的方法逐步得到应用，随着对环保要求的提高，炼焦技术还有待于进一步发展。2.2.2 室式结焦炭化室内煤料结焦过程的特点是单向供热、成层结焦，结焦过程中传热性能随炉料的状态和温度而变化。由于单向供热，炭化室内煤料的结焦过程所需热能是以高温炉墙侧向炭化室中心逐渐传递的。煤的导热能力很差，在炭化室中心面的垂直方向上，煤料内的温度差较大，所以在同一时间，距炉墙不同距离的各层煤料的温度不同，炉料的状态也就不同，各层也处于结焦过程的不同阶段，总是在炉墙附近先结成焦炭而后逐层向炭化室中心推移，这就是成层结焦。通常在炼焦中把炭化室中心面温度作为焦饼成熟程度的标志。2.2.3 配煤炼焦早期炼焦只用单种煤，但随着炼焦工业的发展，炼焦煤储量明显不足。随着高炉的大型化，对冶金焦质量提出了更高的要求，单种煤炼焦的矛盾也日益突出，结合中国煤源丰富，煤种齐全，但炼焦煤储量较少的现状，走配煤之路势在必行。配煤炼焦就是将两种或两种以上的单种煤，均匀地按适当的比例配合，使各种煤之间取长补短，生产出优质焦炭，并能合理利用煤炭资源，增加炼焦化学产品。2.2.4 炼焦中出现的问题及处理在炼焦中最困难的问题就是沿炭化室高度方向加热均匀性的问题。高度越高，加热均匀性越难达到。其加热是否均匀，主要取决于火焰长度，加热不均匀将引起结焦时间延长和产品产量、质量降低等不良后果。由于燃烧室下部温度高，所以炭化室内下部煤料先结成焦块，为了使上部煤料完全成焦，则必须延长加热时间，结果导致下部焦炭过火。结焦时间的延长，使热损失增加，甚至使下部耐火材料熔化或炉墙变形。针对这种情况，主要采取四种方法去解决，即高低灯头法，分段燃烧法，废气循环法和按炭化室高度采用不同厚度的炉墙。废气循环法在解决加热不均匀的问题不仅简单而且很有效，因此被广泛的采用。  焦炉出焦时有时会出现焦饼难推的情况，即焦饼移动苦难或根本推不动。出现这种情况大多是因为加热温度过低或过高，焦饼不成熟以致收缩不够而增大焦饼与炉墙的摩擦阻力，温度过高，焦炭过火易碎，推焦时发生夹焦现象；炉墙和炉底砖变形等。因此在推焦过程中应注意推焦电流的变化，及时发现和解决，以减小其对焦炉造成的危害。2.3 煤炭液化2.3.1 液化历史以及发展煤炭液化分为直接液化和间接液化，1913年德国人率先发现液化技术，并于二战期间实现了工业化。德国先后有12套煤炭直接液化装置建成投产，到1944年，德国煤炭直接液化工厂的油品生产能力已达423万吨每年。后由于中东大量廉价石油开发，煤炭液化技术被搁置。70年代初期，由于世界范围内的石油危机，煤炭液化技术又开始活跃起来。日本、德国、美国等工业发达国家，在原有基础上相继研究开发出一批煤炭直接液化新工艺，目前世界上有代表性的直接液化工艺是日本的NEDOL工艺、德国的IGOR工艺和美国的HTI工艺。这些新直接液化工艺的共同特点是，反应条件与老液化工艺相比大大缓和，压力由40MPa降低至1730MPa，产油率和油品质量都有较大幅度提高，降低了生产成本。1923年，德国化学家首先开发出了煤炭间接液化技术。40年代初，为了满足战争的需要，德国曾建成9个间接液化厂。后由于石油大量开发滞后发展，石油危机时又重新开始为人们所重视起来。煤炭间接液化技术主要有三种，即的南非的萨索尔（Sasol）费托合成法、美国的Mobil甲醇制汽油法）和正在开发的直接合成法。50年代初，我国也投入了液化技术的研究，由于发现了大庆油田而中止。“七五”期间，山西煤化所开的煤基合成汽油技术被列为国家重点科技攻关项目。1989年在代县化肥厂完成了小型实验。“八五”期间，国家和山西省政府投资2000多万元，在晋城化肥厂建立了年产2000吨汽油的工业试验装置，生产出了90号汽油。在此基础上，提出了年产10万吨合成汽油装置的技术方案。2001年，国家863计划和中科院联合启动了“煤变油”重大科技项目。中科院山西煤化所承担了这一项目的研究，科技部投入资金6000万，省政府投入1000万和本地企业的支持，经过一年多攻关，千吨级浆态床中试平台在2002年9月实现了第一次试运转，并合成出第一批粗油品，低温浆态合成油可以获得约70的柴油，十六烷值达到70以上，其它产品有LPG(约510)、含氧化合物等。其核心技术费托合成的催化剂、反应器和工艺工程也取得重大突破。2.3.2 煤炭液化技术及其研发现状以煤为原料，在一定反应条件下生产液体燃料和化工原料的煤炭液化技术通常有直接液化和间接液化2种工艺路线。煤炭和石油一样，都是碳氢化合物，但煤的氢含量和氢碳比远远低于汽油、柴油，氧含量却很高，因此无论采用何种技术路线，其关键技术都是提高氢碳比。同时间接液化和直接液化得到的产品具有很好的互补性：直接液化合成的燃料转化效率较高；间接液化产品使用效率较高，比直接液化产品的环保性能好，但副产物多。2.3.3 煤炭直接液化技术直接液化是指将煤粉碎到一定粒度后，与供氢溶剂及催化剂等在一定温度（430470°C）、压力（1030Mp）下直接作用，使煤加氢裂解转化为液体油品的工艺过程。最早的液化工艺中没有使用氢气和催化剂，是先将煤在高温、高压的溶剂中溶解，产生高沸点的液体。煤直接液化技术主要包括：a、煤浆配制、输送和预热过程的煤浆制备单元；b、煤在高温高压条件下进行加氢反应，生成液体产物的反应单元；c、将反应生成的残渣、液化油、气态产物分离的分离单元；d、稳定加氢提质单元。2.3.4 煤炭间接液化技术煤炭间接液化是先将煤气化、净化生产出H2/CO体积比符合要求的合成气，然后以其为原料在一定温度、压力和催化剂条件下合成液态产品的工艺过程，简称F-T合成。煤炭间接液化的3个主要产品是烃类燃料、甲醇和二甲醚。1936年，德国建成世界上第一座煤间接液化工厂并迅速发展，二次大战结束时，煤间接液化和直接液化厂共可生产汽油约400万t/a，占德国汽油总消费量的90%。和直接液化一样，随着廉价石油的发现，煤间接液化也相继停产。尽管在20世纪50年代初期和中期，美国的煤炭液化技术有了一些发展，但由于石油价格下降，煤炭液化技术越来越缺乏吸引力。除南非外，其他国家在20世纪70年代初才开始重视煤炭液化技术。 液化工艺流程简图3 煤炭制备中煤种煤质问题分析研究3.1 气化原理及影响煤炭气化的因素研究3.1.1 气化原理及平衡影响条件3.1.1.1 气化原理煤的气化是指利用煤或半焦与气化剂进行多相反应产生碳的氧化物、氢、甲烷的过程，主要是固体燃料中的碳与气相中的氧、水蒸气、二氧化碳、氢之间相互作用。由于煤结构很复杂，其中含有碳、氢、氧和硫等多种元素，在基本化学反应时，一般仅考虑煤中主要元素碳和在气化反应前发生的煤的干馏或热解，即煤的气化过程仅有碳、水蒸气和氧参加，碳与气化剂之间发生一次反应，反应产物再与燃料中的碳或其他气态产物之间发生二次反应。综合两次反应最终得出一个总反应：煤（高温、加压、气化剂）=C+CH4+CO+CO2+H2+H2O3.1.1.2 影响平衡条件在煤炭气化过程中，有相当多的反应是可逆过程，因此需要对影响气化的条件进行控制。影响气化反应的因素主要温度和压力。温度是影响气化反应过程煤气产率和化学组成的决定性因素。如果反应是放热反应，一般来说降低反应温度有利于反应的进行，反之则升高温度有利于反应的进行。故在反应中应合理控制气化温度，使其在合适温度条件下气化从而达到最佳气化状态。气化中主要是气体的制取，因此压力对气化影响也较大，升高压力平衡向气体体积减小的方向进行；反之，降低压力，平衡向气体体积增加方向进行。压力对煤气中各气体组成的影响不同，随着压力的增加，粗煤气中甲烷和二氧化碳含量增加，而氢气和一氧化碳含量则减少。因此，压力越高，一氧化碳平衡浓度越低，煤气产率随之降低。故在气化阶段对气化温度和压力进行合理的控制，以保证气化反应能高效的进行。3.1.2 煤炭性质对气化的影响煤是由植物残骸经过复杂的生物化学作用和物理化学作用转变而成的，由于成煤时间的不同形成了多种不同种的煤，每种煤由于形成的时间过程不同，故在组分上有所不同。在气化中，煤种和煤质不同均对其造成影响。3.1.2.1 煤种对气化的影响化中常用的煤种主要有无烟煤、焦煤、半焦、贫煤、烟煤、褐煤、泥炭煤。无烟煤、焦炭、半焦和贫煤气化时不黏结，不会产生焦油，所生产的煤气中只含有少量的甲烷，不饱和碳氢化合物极少，但煤气热值低。其中无烟煤和贫煤都属于变质程度非常高的煤种，加热时不产生胶质体。烟煤气化是黏结，并且产生焦油，煤气中的不饱和烃、碳氢化合物较多，煤气的净化系统较复杂，煤气的热值较高。褐煤气化时不黏结但产生焦油，褐煤是变质程度较低的煤，加热时不产生胶质体，含有较高的内在水分和数量不等的腐殖酸，挥发分高，加热时不软化，不熔融。泥炭煤气化时不黏结，但产生焦油和脂肪酸，所产生的煤气中含有大量的甲烷和不饱和碳氢化合物。煤种还在其气化过程中对几个方面有影响。首先，对煤气组分和产率的影响，随着压力的增大，同一煤种制取的煤气的发热值越高，同一操作压力下，煤气发热值由高到低的顺序依次是褐煤、气煤、无烟煤，这是由于随着变质程度的提高，煤的挥发分逐渐降低。对煤气产率也有一定的影响，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。其次，对消耗指标的影响，煤炭气化过程主要是煤中的碳和水蒸气反应生成氢，这一反应需要吸收大量的热量，该热量是通过炉内的碳和氧气燃烧以后放出的热量来维持。不同煤种，其变质程度不同，随着变质程度的加深，从泥炭、褐煤、烟煤到无烟煤，煤中碳的含量有大的增加，在气化时所消耗的水蒸气、氧气等气化剂的数量也相应增大。最后，对焦油组成和产率的影响，一般来说，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。3.1.2.2 煤质对气化的影响煤质影响主要是指煤水分、灰分、挥发分、煤粒度、煤灰熔点等对气化过程造成的影响。煤中的水分以三种形式存在，即外在水分、内在水分和结晶水。对常压气化来讲，气化用煤中水分含量过高，煤料未经充分干燥就进入干馏层，影响了干馏的正常进行，而没有彻底干馏的煤进入气化段后，又会降低气化段的温度，使得甲烷的生成反应和二氧化碳、水蒸气的还原反应速率显著减小，降低了煤气的产率和气化效率。加压气化炉由于高度较常压气化炉高能提供干燥层，因此对水分的要求上较常压气化来说较高。煤中灰分过高不仅会增加运输成本，而且对气化过程有许多不利的影响。气化由于少量碳的表面被灰分覆盖，气化剂和碳表面的接触面积减少，降低了气化效率；同时灰分的大量增加，不可避免地增加了炉渣的排出量，随炉渣排出的碳损耗量也必然增加。挥发分的大小要根据煤气的用途来确定，做燃料时，要求甲烷含量高、热值大，则可以选用挥发分较高的煤做原料，当制得的煤气用做工业生产的合成气时，一般要求使用低挥发分、低硫的无烟煤、半焦或焦炭，因为变质程度浅的煤种，生产的煤气中焦油产率高，焦油容易堵塞管道和阀门，给焦油分离带来一定的困难，同时也增加了含氰废水的处理量。煤的粒度在气化过程中占有非常重要的地位，由于粒度的不同，将直接影响到气化炉的运行负荷、煤气和焦油的产率以及气化时的各项消耗指标。煤的比表面积和煤的粒径有关，煤的粒径越小，其比表面积越大，越有利于气化。粒度对传热也有影响，粒度越大，传热越慢，煤粒内外温差越大。煤的灰熔点即灰分熔融时的温度，其与煤的结渣性共同对气化造成影响，两者在气化过程中影响气化剂的均匀分布，增加排灰的困难，使气化在较低温度下进行，同时还缩短气化炉的寿命。此外，煤还有其他诸多因素影响其气化过程，在气化中要综合分析各项条件，合理的进行配煤气化，使煤达到最高的气化效率。3.1.3 煤特性对气化过程及设备的影响3.1.3.1 煤性质对德士古气化的影响德士古加压气化是气流床湿法加料，液态排渣的加压煤气化技术。无烟煤由于反应活性低，碳转化率低，可磨指数小，不适宜于水煤浆加压气化。褐煤的内在水分含量较高，内孔表面大，吸水能力强，成浆时，煤粒上能吸附的水量多。因而，在水煤浆浓度相同的条件下，自由流动的水相对减少，以致流动性较差，若使其具有相同的流动性，则煤浆浓度必然下降，即褐煤的成浆性差。故褐煤在目前尚不宜作为水煤浆加压气化的原料。适宜于水煤浆加压气化的是烟煤，而烟煤中最适宜气化的是长焰煤、气煤等。即使是长焰煤、气煤，如果煤的灰熔融温度很高(>1400°C)，且灰渣的粘度很大，也不宜选用Texaco气化法气化。影响德士古气化的有主要指标也有次要指标。主要指标有以下几个：（1）发热量达25.12MJ/kg一般的烟煤(原煤)都能达到这个要求，精煤更是如此，越高越好；（2）灰熔融温度FT在1300°C为宜。过高或过低都不利于气化；（3）煤中灰量不得高于15%20%，越低越好。灰含量高会导致比煤耗、比氧耗增大，灰分愈多，随灰渣而损失的碳量就愈多。灰含量每增加1%，氧耗增加0.7%0.8%写(体积分率)，生产成本上升，同时增加了三废治理的工作量。次要指标有以下几个：（1）全水分含量越低越好。煤的成浆浓度随着内在水分含量的增大而降低，内在水分低的煤易于制取高浓度水煤浆。随着水煤浆浓度的提高，煤气中有效气体成分增加，气化效率提高，氧气耗量下降；（2）挥发分含量越高，越利于Texaco气化反应，增加煤气产率；（3）固定碳含量越高越好；（4）液渣粘度维持在1525Pa·S之间，以维持正常的液态排渣；（5）煤中有害元素硫、氯、砷、汞、氟等越低越好；（6）可磨指数越大越好，越大，煤越易磨碎，可提高煤磨机的产量，降低耗电率。3.1.3.2 几个影响德士古煤气化的关键因素成浆性 影响煤成浆性的因素很多，如煤的变质程度，煤的灰分含量，内在水分含量，灰成分，煤的粒度分布，制备水煤浆用水特性，制浆温度，搅拌时间、强度，添加剂的种类、用量等，且有些因素之间是密切相关的。其中最关键的是煤的种类、添加剂的型号及量。性能好的煤浆要有高的煤含量、低粘度，表观流动性、稳定性好，析水率低等。作为Texac。水煤浆加压气化工艺要求煤浆浓度在60%以上，粘度小于1000cP。变质程度浅的煤，内表面大，吸附水多，不易制得高浓度煤浆，年老煤亲水性官能团少，与水的结合力弱，也不易制得高浓度煤浆。一般变质程度较深，内在水分含量较低的年轻烟煤较易制出高浓度的水煤浆。煤的内水含量越高，煤中O/C比越高，含氧官能团和亲水官能团越多，空隙率越大，煤的制浆难度越大。反应活性 煤粒在气化炉内的反应时间一般为58s，这样短暂的反应时间，只有反应速度很快才能达到较高的碳转化率，而提高反应温度又受到耐火材料使用寿命、设备材质和运行周期的限制，因此Texaco气化原料要求有较高的反应活性，才能使气化反应在瞬间完成。煤反应性的表示方法很多，我国采用CO2介质与煤进行反应，以CO2的还原率来表示煤的反应性。煤对CO2还原率越高(a值越大)，煤的反应性越好。煤反应性主要与煤化程度有关，一般煤的反应性随着煤化程度的加深而降低。煤中矿物质含量和组成对反应也有影响，矿物质含量高，降低了煤中固定碳含量，使反应性降低。而矿物质中的碱金属化合物对碳与CO2的反应起催化作用，使煤的反应性提高。煤的反应性随温度的升高而增加。一般情况下，适宜于Toxaco气化用烟煤在IOOO°C时，a50%;在1100°C时，a68%;在125O°C时，a98%，以保证碳的转化率达到98%。渣对耐火材料衬里的腐蚀性 腐蚀性渣可导致耐火材料衬里蚀损率高，即使在最佳操作温度下也是如此耐火砖蚀损率随温度增加而加快。因气化炉耐火材料非常昂贵(国产砖，单炉500550万元;进口砖在1000万元左右)，所以选择没有腐蚀性渣的煤作为气化原料，并且在低温下操作气化炉，使耐火材料的蚀损率降到最小，延长气化炉的运行周期。一般渣油气化炉的高铝质(Al203)向火面耐火砖容易受到熔渣侵蚀，因为熔渣中也含有相当量的Al2O3。熔渣中含的CaO及Fe2O3组分侵入耐火砖，与耐火砖中的MgO组分生成MgFe2O4，后者的耐磨损性比MgO低。一般认为耐火砖中的尖晶体MgAI204对熔渣的侵蚀作用具有一定的抵御性。然而，熔渣中的Fe2O3。侵人砖，Fe3+取代了耐火砖中的A13+，这种置换作用导致砖体膨胀，造成耐火砖脆裂。主要组分为Cr2O3的耐火砖，受熔渣侵人耐火砖使晶间结构发生变化，性能退化，造成耐火砖脆裂。主要组分为Cr2O3、A12O3及ZrO2的耐火砖，一般能经受熔渣的侵蚀。耐火砖氧化铬含量越高，受熔渣的侵蚀程度就越轻。然而，耐火砖氧化铬含量高，其抵御剥落的能力弱。由此可见，高铁和高铝灰渣比高钙低铝灰对铬砖腐蚀轻。耐火砖经历上述物理变化后，炉内温度较大幅度变化造成的所谓“热冲击”作用，也会导致耐火砖发生剥落。为了减少耐火砖的剥落，需加入助熔剂来降低灰渣的灰熔融温度，铁或镁助熔剂优于钙助熔剂。SGC结垢性SGC结垢性是指对合成气冷却器的结垢程度，严重的结垢将阻止热传递，降低效率，并在洗涤塔中出现问题，降低气体冷却温差。若使用燃气透平IGCC联合循环发电的厂家，将造成燃气透平严重结垢，降低效率，甚至引起透平机的动平衡改变，被迫停车检修，影响运行周期。3.1.3.3 煤性质对航天气化工艺的影响航天气化工艺是采用粉煤气化技术进行气化的，原料煤在磨煤机中磨碎成为颗粒为590m煤粉并由惰性气体发生器来的热风加热至105°C后通过管道送至粉煤袋式过滤器，经袋式过滤器后，大部分煤粉沉降下来，只有一少部分随热风循环回惰性气体发生器，同时起预热和混合气的作用，沉降下来的粉煤经过输送进入气化炉与氧气蒸汽混合气进行后进行气化反应。在粉煤气化过程中，煤的水分、灰分、灰渣熔融点都对气化造成极大的影响。原料煤在磨煤机中磨碎后呈煤粉形式输送，需要保持一定的干燥度，若煤水分含量过大，需要更多的热量来对煤进行干燥，故需要从惰性气体发生器过来的热风温度高或是风量增加，会给后续工作带来不必要的麻烦，同时还有可能使煤粉的干燥程度不够从而影响粉煤的输送，堵塞管道，造成袋式过滤器下煤不畅，影响输送粉煤速度。在煤粉气化过程中，若是煤粉水分过大，气化是需要吸收更多的热量来蒸发掉多余的水分，间接导致气化温度降低，影响气化的进行，使气化进行不完全，浪费原料煤，若煤粉水分较少则会造成气化时温度过高，从而使气化得到的有效气体量减少。气化温度过低或是过高都对气化炉有危害，如果温度低，煤粉气化时形成的渣粘结性较强，粘结在气化炉内壁上使气化炉内壁挂渣过厚，渣口减小减少了气化空间；如果温度过高，可能达到灰渣的熔融点，从而使气化炉内壁不能有效的挂渣，造成气化炉挂渣太薄，高温破坏炉体，高温还有可能使气化炉内壁挂的渣熔融形成大块儿渣脱落使渣口渣量短时间增加堵塞渣口，此外，灰渣温度过高也会造成下降管烧穿，损毁气化炉，使之不能正常进行生产。3.2 炼焦工艺条件及煤炭性质对炼焦的影响研究3.2.1 工艺条件对成焦的影响加热速度  提高加热速度使煤料的胶质体温度范围加宽，流动性增加，从而改善煤料的黏结性，使焦块致密。利用快速加热，可以提高弱黏结性的气煤、弱黏煤甚至长焰煤的黏结性，这就扩大了炼焦煤源，但快速加热对半焦收缩是不利的，因为提高加热速度使收缩速度加快，相邻层的连接强度加大，从而收缩应力大，产生的裂纹多，故合理的加热速度应是黏结阶段快、收缩阶段慢。煤料细度  同一种煤的粉碎度增加，焦炭强度增加，当煤粉碎度达到某极限值后，继续增加时焦炭强度反而降低。不同的煤种，其焦炭强度的极大值对应的粉碎度取决于煤的黏结性，黏结性愈好的煤，其焦炭强度极大值对应的煤粉碎度愈高，是由于粉碎度提高时，煤粉的分散表面积增加，而固体颗粒对液体的吸附作用使胶质体黏度增大，不利于气体的析出，使黏结阶段的膨胀压力增大，从而使煤的黏结性提高。在炼焦中，对于不同的煤料，为得到强度最好的焦炭，应寻找各自最适合的细度。堆密度  增加装炉煤的堆密度，使煤粒间隙减小，膨胀压力增大，填充间隙所需的液态物质减少，在胶质体数量和性质一定时，可以改善煤的黏结性。但堆密度的增大，使相邻层的连接强度加强，且伴随着收缩应力的增加，使焦炭的裂纹增加。因此，只有当黏结性差的气煤配用量较大时，采用增加堆密度的方法来提高焦炭的强度。3.2.2 煤质对成焦的影响水分  煤的水分过小，会恶化焦炉装煤操作环境；水分过大，会使装煤操作困难。水分对堆密度也有影响，水分增高，水分汽化热大，使结焦时间延长，为排除水分带来的不利影响，一般情况下，配合煤水分稳定在10%左右较为合适。灰分  成焦过程中，煤料中的灰分几乎全部转入焦炭中，因此要严格控制配煤灰分。灰分是惰性物质，灰分高则黏结性降低。灰分的颗粒较大，硬度比煤大，它与焦炭物质之间有明显的分界面，而且膨胀系数不同，当半焦收缩时，灰分颗粒成为裂纹中心，灰分颗粒越大则裂纹越宽、越深、越长，所以配合煤的灰分高，则焦炭强度降低。高灰分的焦炭在高炉冶炼中，会发生粉化，影响高炉透气性。降低配合煤的灰分有利于降低焦炭的灰分，可使高炉、化铁炉等降低焦耗，提高产量，但是成本增加，应综合考虑。黏结性  配合煤的黏结性指标是影响焦炭强度的重要因素。根据结焦机理，配合煤中各组分的煤塑性温度区间应彼此衔接和依次重叠。煤料细度  煤料必须粉碎才能均匀混合，其细度对成焦也有很大影响。细度过低，配合煤混合不均匀，焦炭内部结构不均一，强度降低。细度过高，不仅粉碎机动力消耗增大，设备生产能力降低，而且装炉煤的堆密度下降，更主要的是细度过高，反而使焦炭质量受到影响。因为细度过高，煤料的表面积增大，生成胶质体时，由于固体颗粒对液相量的吸附作用增强，使胶质体的黏度增大而流动性变差，因此细度过高不利于黏结。硫分 煤炭中含硫对煤炼焦造成很大的影响，在不断的对其研究中也得出相关影响的数据。气相中的硫主要是H2S，焦油中含硫量为总硫量减去固体焦炭和气相中的含硫量的差值,从而可以得到硫在不同相中的分配。不同考察因素下固体焦炭中硫含量及硫在热解气、焦炭和焦油中的分配见表2。经过研究发现，升温速度3.0/min下无气体通入时热解后焦炭硫含量为2.13%，通入300mL/minH2，CH4和N2后焦炭硫含量分别为1.75%, 1.79%和2.05%，分别降低约0.38%， 0.34%和0.08%。3.0/min时， 200，300和500mL/minH2流量下测得的焦炭硫含量分别为1.77%，1.75%和1.74%，比无气体通入时的硫含量(2.13% )分别降低0.36%， 0.38%和0.39%； 1.5/min时，不同H2流量下焦炭硫含量比无气体通入时的2.02%分别降低约0.46%， 0.53%和0.56%。可以看到，增大气体流量可以提高脱硫率，但随流量的增大对脱硫率的影响逐渐减弱；加热速率对脱硫率的影响较大，加热速率小脱硫率高。与无气体通入时相比，通入气体可使焦炭中硫分配明显降低。升温速度3.0/min下通入H2和CH4可使焦炭中硫降低9%左右，通入N2可降低2%左右； 1.5/min下通入H2可使焦炭中硫降低13%左右，而气相中硫分配增加,冷凝在焦油中的和以其他形式逸出的硫含量也有增加。因而，焦炉煤气返回焦化过程可以改变硫在固体焦炭、热解煤气及焦油中的分布，使煤中的硫向气相和液相转移，从而使焦炭中的硫分配降低。在研究中亦发现，通入气体可显著降低焦炭中硫含量，增大气体流量、减小加热速率,有利于提高气相中硫分配比，从而使固体焦炭中硫含量降低。其中氢气气氛下脱硫效果较佳， 3.0和1.5/min 2种加热速率下可分别使焦炭中硫含量降低0.36%0.39%和0.46%0.56%；不同气氛的累积脱硫量顺序为H2>CH4>N2，至800时可达到总脱硫量的90%以上；气体流量增大，累积硫脱除量亦增大；通入氢气具有较好的脱硫效果，一方面因为气体通入可以提高炼焦室中氢气的还原气氛，加快脱硫反应速度，另一方面可以减少热解气体在半焦中的停留时间，且稀释热解气中的硫化物，抑制气态中的硫返回固体焦炭中。3.3 影响煤炭液化特性的主要因素煤炭液化工艺受原料煤质、压力、温度、催化剂等因素的影响，液化方法不同，对煤质的要求也有所不同。各国对直接液化用煤的要求存在较大的差异，日本和苏联的一些学者主张采用低灰分煤，欧美有些学者则认为采用价格低廉的高灰、高硫煤有利于降低液化成本。但高灰煤在磨碎过程中耗电多，尤其是含黄铁矿高的煤硬度大而电耗更大，对提高液化工厂的生产效率和