單噴嘴冷壁式粉煤加壓氣化裝置配煤工藝評價*

楊玉輝，梁欽鋒

(1.中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司化工廠 江蘇南京 211500；2.上海市煤氣化工程技術(shù)研究中心，華東理工大學(xué) 上海 200237)

單噴嘴冷壁式粉煤加壓氣化裝置配煤工藝評價*

楊玉輝1，梁欽鋒2

(1.中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司化工廠 江蘇南京 211500；2.上海市煤氣化工程技術(shù)研究中心，華東理工大學(xué) 上海 200237)

介紹了單噴嘴冷壁式粉煤加壓氣化裝置原料煤的配煤工藝，并通過大量入爐煤粉煤質(zhì)數(shù)據(jù)測試，以灰分含量、灰熔點(diǎn)及灰成分等關(guān)鍵參數(shù)為表征，對配煤系統(tǒng)運(yùn)行效果進(jìn)行評價。運(yùn)行結(jié)果表明，單噴嘴冷壁式粉煤加壓氣化裝置配煤工藝效果良好，有效支撐了裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

單噴嘴冷壁式粉煤加壓氣化 配煤 煤質(zhì)

氣流床煤氣化技術(shù)具有煤種適應(yīng)性廣、原料消耗低和碳轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)勢，是當(dāng)今國際上主流的煤氣化技術(shù)之一，而控制氣化原料煤的煤質(zhì)特性以滿足氣化爐工藝要求并保持穩(wěn)定對于氣化裝置的長周期運(yùn)行至關(guān)重要。

雖然我國的煤炭儲量豐富、煤種齊全，但高灰熔點(diǎn)、高灰分的劣質(zhì)煤約占我國煤炭總儲量的50%[1]，因此，劣質(zhì)煤的清潔高效利用勢在必行。配煤是劣質(zhì)煤清潔高效利用的重要方式，也是氣流床氣化裝置常見的原料調(diào)整手段。配煤是將同種指標(biāo)含量相差比較懸殊的2種煤按一定比例混合，得到某些指標(biāo)能滿足某種應(yīng)用或環(huán)保要求的混合煤。相對添加助熔劑而言，配煤可有效降低入爐煤灰分含量和灰熔融性流動溫度，提升入爐原料煤的熱值，從而提高氣化裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。我國多家煤化工企業(yè)的煤氣化裝置均采用配煤方案以滿足氣化裝置的運(yùn)行需要，包括Shell粉煤氣化裝置[2]、GE水煤漿氣化裝置[3]和航天爐粉煤氣化裝置[4]等。大量的工程運(yùn)行經(jīng)驗表明，如果入爐煤煤質(zhì)發(fā)生波動，輕者堵塞渣口，影響穩(wěn)定生產(chǎn)；重者導(dǎo)致耐火襯里燒損，或渣口嚴(yán)重堵渣，會造成裝置停車。因此，無論采用何種氣化技術(shù)，只要以配煤為原料，配煤系統(tǒng)最終所形成的混煤的煤質(zhì)穩(wěn)定性是氣化裝置獲得良好運(yùn)行效果的必要條件。

單噴嘴冷壁式粉煤加壓氣化(以下簡稱SE粉煤氣化)技術(shù)由中石化和華東理工大學(xué)聯(lián)合開發(fā)而成，千噸級工業(yè)示范裝置建于中石化揚(yáng)子石化有限公司(以下簡稱揚(yáng)子石化公司)。該技術(shù)主要目標(biāo)是解決高灰熔點(diǎn)、高灰分煤的高效氣化難題，并形成安全、穩(wěn)定和高效的寬煤種適應(yīng)性粉煤氣化成套技術(shù)。該示范裝置于2014年1月建成投用，考慮到示范裝置的試車需要和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，結(jié)合揚(yáng)子石化公司在煤源方面的可獲得性，選取貴州煤和神華煤的配煤作為入爐煤種。通過大量不同配比混煤的黏溫數(shù)據(jù)測試，最終確定了貴州煤與神華煤的混配質(zhì)量比為6∶4。

1 原料煤煤質(zhì)及配煤工藝

原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)和灰成分?jǐn)?shù)據(jù)分別見表1和表2(實驗室混配煤為貴州煤與神華煤按質(zhì)量比6∶4混配)。

表1 原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

項 目工業(yè)分析(干燥基)/%灰分(A)揮發(fā)分(V)固定碳(FC)元素分析(干燥基)/%CHON全硫(St)灰熔融性流動溫度(FT)/℃貴州煤22.3410.3467.3270.502.270.140.863.891317神華煤9.1033.0657.8474.984.0510.020.970.771174實驗室混配煤17.0419.4363.5372.292.984.090.902.641301

注：1)工業(yè)分析和元素分析均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，理論值；FT為實測值

表2 灰成分?jǐn)?shù)據(jù)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

%

為了滿足氣化爐要求，揚(yáng)子石化公司在配煤系統(tǒng)中采用了多次摻混工藝并實現(xiàn)了自動控制，不僅節(jié)省了大量人工，而且有效保障了配煤質(zhì)量。SE粉煤氣化裝置原煤輸送流程見圖1。

圖1 SE粉煤氣化裝置原煤輸送流程

存儲于2個面包倉中的原煤經(jīng)皮帶輸送機(jī)送入筒倉(C筒倉為備用筒倉)，再經(jīng)活化給煤機(jī)定量后送入皮帶輸送機(jī)并稱重顯示實時給煤量。對于貴州煤和神華煤按質(zhì)量比6∶4配煤時，將A筒倉中的貴州煤給料量設(shè)置為總給料量的60%，將B筒倉中的神華煤給料量設(shè)置為40%，并同時經(jīng)皮帶輸送機(jī)送入E筒倉(F筒倉為E筒倉的備用筒倉)，直至E筒倉達(dá)到滿料位。當(dāng)制粉系統(tǒng)原煤倉低料位時，開啟E筒倉活化給煤機(jī)送入原煤，最終進(jìn)入磨煤機(jī)。

在上述原煤輸送過程中，貴州煤和神華煤經(jīng)歷了2次混合，一次是由皮帶輸送機(jī)落入E筒倉內(nèi)的過程，另一次是由E筒倉進(jìn)入到原煤倉的過程，整個系統(tǒng)均采用自動控制。

2 配煤穩(wěn)定性分析

針對氣化裝置初始運(yùn)行期間所采用的貴州煤與神華煤的混配煤，考察了15個煤粉樣品(取樣間隔為1 d)的煤質(zhì)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性，主要包括工業(yè)分析、元素分析、灰熔融性流動溫度和煤灰化學(xué)成分，其煤質(zhì)穩(wěn)定性比較見表3，入爐煤粉主要參數(shù)穩(wěn)定性比較如圖2所示。

表3 煤質(zhì)穩(wěn)定性比較

項 目最大值最小值平均值實驗室混配值(Lab)平均值與Lab差值w(灰分)/%18.6315.5116.7817.04-0.26w(總硫)/%5.202.703.392.640.75FT/℃1288124812691301-30 w(酸性氧化物)/%76.6573.9075.1775.54-0.37 w(堿性氧化物)/%16.2313.3414.8616.21-1.35

注：1)主要酸性氧化物為SiO2+Al2O3，主要堿性氧化物為CaO+Fe2O3

由表3可見：與實驗室混配煤的煤質(zhì)數(shù)據(jù)比較，灰分、灰熔融性流動溫度、酸性氧化物、堿性氧化物含量等數(shù)據(jù)的平均值與實驗室混配值或理論值相差較小，不僅完全可滿足氣化裝置對煤質(zhì)波動的耐受性，而且說明本配煤工藝合理，可較好地實現(xiàn)入爐混配煤的均勻、穩(wěn)定混配；硫含量的偏差相對較大，其煤樣平均值比實驗室混配值高出0.75%，這可能與貴州煤的煤質(zhì)略有波動有關(guān)。

由圖2可見，15個入爐煤粉的煤質(zhì)穩(wěn)定性良好，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15.33%～18.41%，F(xiàn)T在1 248～1 288℃。較高的灰分含量和較低的灰熔點(diǎn)為氣化爐水冷壁襯里表面的首次掛渣創(chuàng)造了良好條件，可確保水冷壁襯里表面安全穩(wěn)定掛渣。由此可見，通過貴州煤與神華煤的混配，可有效降低入爐煤粉的灰熔融性流動溫度，煤灰中主要酸性氧化物總質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于80%而主要堿性氧化物總質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過12%是造成入爐混配煤的灰熔融性流動溫度較低的原因。

圖2 入爐煤粉主要參數(shù)穩(wěn)定性比較

3 配煤穩(wěn)定性對氣化裝置運(yùn)行的影響

由于貴州煤礦的特征是儲量較低、煤質(zhì)穩(wěn)定性較差，故在裝置運(yùn)行中貴州煤煤質(zhì)出現(xiàn)較大波動，導(dǎo)致配煤結(jié)果出現(xiàn)明顯偏差。由于現(xiàn)場煤粉僅取15個樣品(1 d取1個樣品)，僅能代表15 d的入爐煤質(zhì)情況，但從測量的氣化爐水冷壁表面耐火材料溫度看，其值從600 ℃逐漸降至270 ℃左右，水冷壁蒸汽產(chǎn)量從4～5 t/h降至1 t/h左右，這意味著水冷壁襯里表面渣層非常厚。取樣分析結(jié)果表明，該貴州煤的FT超過1 500 ℃，配煤的FT達(dá)到1 399 ℃，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%，其灰成分與其他貴州煤相差很大。貴州煤煤質(zhì)波動對配煤的影響見表4，高灰熔點(diǎn)貴州煤灰成分見表5。

該批次高灰熔點(diǎn)貴州煤的煤質(zhì)波動對氣化裝置的影響主要表現(xiàn)為水冷壁的傳熱變化。煤質(zhì)變化將影響水冷壁表面熔渣沉積厚度，進(jìn)而影響水冷壁傳熱，具體表現(xiàn)為氣化爐水冷壁SiC表面溫度和汽包蒸汽產(chǎn)量顯著下降。由于煤灰成分和煤灰黏溫特性發(fā)生變化，導(dǎo)致水冷壁表面熔渣沉積厚度增加，引起水冷壁SiC表面溫度下降。在氧煤比基本不變的情況下，氣化爐水冷壁SiC表面溫度

表4 貴州煤煤質(zhì)波動對配煤的影響

項 目工業(yè)分析(干燥基)/%AVFC元素分析(干燥基)/%CHONStFT/℃貴州煤28.8423.2347.9360.543.292.351.063.921522混配煤20.9427.1651.8966.323.595.421.052.681399

注：1)該批次為高灰熔點(diǎn)貴州煤，貴州煤與神華煤按質(zhì)量比6∶4混配，工業(yè)分析和元素分析均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表5 高灰熔點(diǎn)貴州煤灰成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

%

10 h后由600 ℃降至約270 ℃(接近水冷壁內(nèi)汽水混合物溫度)，說明此時水冷壁表面渣層很厚。由于排渣系統(tǒng)未顯示有渣口壓差增大趨勢，故維持工況穩(wěn)定并一直持續(xù)了5 d。此后，煤質(zhì)逐漸恢復(fù)正常，水冷壁SiC表面溫度由270 ℃逐漸恢復(fù)至600～700 ℃的水平。經(jīng)近9 d的運(yùn)行，該批次高灰熔點(diǎn)煤全部按照貴州煤與神華煤以質(zhì)量比6∶4混配入爐氣化，雖然造成水冷壁SiC表面溫度大幅降低，但并未造成渣口積渣，這主要得益于SE氣化爐渣口溫度略高的合理溫度場分布[5]。

4 結(jié)語

采用與低灰熔點(diǎn)煤混配是解決高灰熔點(diǎn)、高灰分劣質(zhì)煤氣流床氣化的有效途徑。通過設(shè)定適宜的混配比例和配煤工藝，可較好地穩(wěn)定入爐配煤煤質(zhì)，拓展氣化裝置的煤種適用性，可實現(xiàn)氣化裝置安全、穩(wěn)定、長周期和高效運(yùn)行。15 d的煤粉煤質(zhì)分析測試數(shù)據(jù)表明，揚(yáng)子石化公司SE粉煤氣化裝置通過合理設(shè)置配煤系統(tǒng)，有效調(diào)控活化給煤機(jī)的定量、穩(wěn)定供給，較好地實現(xiàn)了2個不同煤種的均勻、穩(wěn)定配煤。

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Evaluation of Coal Blending Process of Single Nozzle Cold Wall Pulverized Coal Pressurized Gasification Unit

YANG Yuhui1, LIANG Qinfeng2

(1.Chemical Plant, Sinopec Yangzi Petrochemical Co. Ltd. Jiangsu Nanjing 211500； 2.Shanghai Engineering Research Center of Coal Gasification, East China University of Science and Technology Shanghai 200237)

The coal blending process of feed coal of single nozzle cold wall pulverized coal pressurized gasification unit is introduced, by measurement of coal property data of a large amount of pulverized coal as fired, with key parameters such as ash content, ash fusion point and ash composition as representation, the evaluation of operating effectiveness of coal blending system is carried out. Operation results show that the effect of the coal blending process of single nozzle cold wall pulverized coal pressurized gasification unit is very good, it provides effective support for long period stable operation of the unit.

single nozzle cold wall pulverized coal pressurized gasification coal blending coal quality

中石化科技部項目“SE煤氣化示范裝置系統(tǒng)優(yōu)化(415022)”。 作者簡介：楊玉輝(1982—)，碩士，工程師，從事化工生產(chǎn)管理工作；yangyh.yzsh@sinopec.com。

TQ546.1

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1006- 7779(2016)06- 0042- 04

2016- 10- 12)