潞安貧瘦煤配煤用于Shell氣化爐的應(yīng)用研究

付鵬兵， 郭志鵬, 張曉軍, 任玲兵

(潞安煤基清潔能源有限責任公司，山西 長治 046000)

采用潞安高灰分、高灰熔點的貧瘦煤為主煤，制訂配煤方案，通過工業(yè)化試燒，得出了最佳配比，獲取了試燒數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了殼牌爐安全穩(wěn)定長周期運行，不僅擴寬了殼牌爐的煤種適應(yīng)性，更延伸了貧瘦煤的化工用途。

配煤；殼牌氣化爐；液態(tài)排渣爐；貧瘦煤；Shell爐

引 言

殼牌粉煤氣化工藝是目前世界上較為先進的煤氣化技術(shù)之一，與其他煤氣化工藝相比有其獨特的優(yōu)越性(如碳轉(zhuǎn)化率高、氧耗低、冷煤氣效率高、自動化程度高、節(jié)能環(huán)保等)，但也有一定的局限性，其中，煤質(zhì)的選擇是制約煤氣化裝置能否穩(wěn)定長周期運行的關(guān)鍵，直接影響其安全操作和經(jīng)濟效益[1-2]。

山西潞安煤基清潔能源有限公司在建180萬t/a煤基費托合成油品擬利用潞安本地豐富的煤炭資源，采用殼牌煤氣化工藝生產(chǎn)。本文選取潞安主產(chǎn)的貧瘦煤作為試驗對象，通過煤質(zhì)分析和配煤研究及工業(yè)化試燒，找到潞安煤和殼牌爐的最佳結(jié)合，為該項目解決就地煤轉(zhuǎn)化和殼牌爐穩(wěn)定經(jīng)濟運行提供依據(jù)。

1 潞安煤與殼牌入爐煤指標差別

典型殼牌爐的入爐煤指標要求和潞安主力煤種的煤質(zhì)指標見表1。

從表1可以看出，潞安煤與殼牌爐入爐煤指標差別主要集中在灰熔點和灰中硅鋁比上。

表1 殼牌氣化爐入爐煤指標與潞安煤質(zhì)指標對比

1.1 灰熔點

灰熔點決定了煤的氣化溫度。一般將煤種灰熔點控制在1 300 ℃～1 450 ℃，殼牌煤氣化裝置一般操作溫度高于灰熔點100 ℃～150 ℃。如果采用灰熔點較高的煤種，將會產(chǎn)生以下不利的影響：為了實現(xiàn)氣化爐的順利排渣，必須提高氣化爐的操作溫度，這將造成氧耗和煤耗增加，合成氣中的CO含量增加，有效氣組分降低;操作溫度提高后，水冷壁蒸汽產(chǎn)量增加，使氣化爐熱損失增加。同時,激冷段及后工段熱負荷增加，對設(shè)備的使用壽命和后工段都有很大的影響。

為降低煤的灰熔點，通常采用添加助熔劑的方法。但添加助熔劑在降低灰熔點的同時，也產(chǎn)生以下不利影響：一方面,無效組分增加了氣化爐的運行負荷，導(dǎo)致熱量損耗大，產(chǎn)氣率低。另一方面，氧化鈣含量越高氣化操作空間越小。氣化爐不易調(diào)節(jié)控制，難以穩(wěn)定運行。

1.2 灰中硅鋁比

殼牌煤氣化是一種熔渣氣化工藝，采用液態(tài)排渣，以渣抗渣的原理。灰分的組成、煤灰黏度特性直接影響著殼牌煤氣化裝置的穩(wěn)定運行?；以靥匦允侵溉廴诨以酿ざ扰c溫度的關(guān)系。熔融灰渣的黏度是熔渣的物理特性，煤種不同，渣的黏溫特性差異很大，有的煤種在一定溫度變化范圍內(nèi)其灰渣的黏度變化不大，也即對應(yīng)的氣體操作范圍寬，當操作溫度偏離最佳值時，對氣化運行影響不大；有的煤種當溫度稍有變化時其灰渣的黏度變化比較劇烈，操作中應(yīng)予以特別注意，以防低溫下渣流不暢發(fā)生堵塞。可見，熔渣黏度對溫度變化不是十分敏感的煤種有利于氣化操作。

硅鋁比決定了渣的黏溫特性曲線，w(SiO2)/w(Al2O3)較低時，渣的黏溫特性差，液態(tài)渣在流動過程中隨著溫度的降低，黏度直線上升，渣的流動性減弱，大量的渣淤積在水冷壁渣口處導(dǎo)致渣口堵塞，影響裝置正常運行。較高的硅鋁比可以使熔渣在較寬的溫度范圍內(nèi)保持良好的黏度和流動性，從而可以增加氣化的操作空間，大大減少因溫度波動造成的堵渣和跨渣現(xiàn)象[4]。因此，硅鋁比對于氣化爐的平穩(wěn)操作具有十分重要的意義，是進行原煤選擇時

的最重要條件之一[4]。實際操作中一般選擇w(SiO2)/w(Al2O3)=2.0左右。

韓永振[3]、孫龍會[5]等指出，硅鋁比也是影響氣化爐合成氣冷卻器積灰的關(guān)鍵因素之一，較高的硅鋁比可有效地解決合成氣冷卻器的積灰問題。

2 混配方案確定

通過以上比較分析，本地潞安貧瘦煤灰含量達到25%，接近設(shè)計最大指標，在高負荷工況下灰渣量大，排渣困難，嚴重時會造成堵渣；且灰熔點>1 550 ℃，要求氣化溫度非常高，硅鋁比較低，灰渣對溫度較敏感，操作空間很小，極易發(fā)生堵渣和跨渣的風(fēng)險，因此無法作為單獨煤種用于殼牌爐入爐煤使用，需通過混配調(diào)整組分。

配煤技術(shù)基本原理是利用不同煤種各自組成成分、物理和化學(xué)性質(zhì)的差異，相互取長補短，使最終配出的混合煤在性能指標上達到最佳狀態(tài)，以滿足用戶對煤的質(zhì)量要求。其工業(yè)分析等指標符合線性相加的規(guī)律[6]，但其灰熔點由于不僅與煤灰的組分有關(guān)，還和組分間高溫下相互作用形成的共熔體有關(guān)，因此匹配性較差[7]，需實測。

2.1 輔煤的選擇

針對潞安煤高灰分、高灰熔點黏溫特性差的特點，在山西周邊地區(qū)進行了調(diào)研，共取樣34個，經(jīng)檢測，神木B煤具有低灰分、低灰熔點、高活性的特點，B煤煤質(zhì)及試驗用潞安A煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表2。

表2 試驗用A煤和B煤的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

2.2 二元煤混配方案的制定

混配后的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表3。

表3 混配后煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)表

與表1相比，以上3個配比在灰分和硅鋁比上都能滿足殼牌爐入爐煤指標，但灰熔點>1 500 ℃，無法滿足要求。

混煤在不同石灰石添加比例下的灰熔點及采用殼牌專用軟件計算的操作空間見表4。

從表4中可以看出，添加2%～3%的石灰石即可滿足要求。為盡量縮小與之前所用煤種的差距，工業(yè)化試燒最終選擇A煤和B煤1∶1混合并添加3%石灰石方案。此時，T20為1 699 ℃、全液化溫度1 430 ℃，操作窗口269 ℃，操作溫度合理、操作范圍寬，燃燒應(yīng)該更平穩(wěn)，堵渣風(fēng)險較低，入爐煤灰分達到18.27%，符合入爐煤標準。

表4 不同石灰石添加比例下的灰熔點和全液化溫度

3 工業(yè)化試燒過程及評價

采用A煤和B煤1∶1混合并添加3%石灰石方案，在國內(nèi)某廠日投煤量2 000 t的殼牌爐上進行了工業(yè)化試燒。

3.1 試燒過程

3.1.1 氣化溫度控制

待磨煤系統(tǒng)啟動后，約3.5 h，氣化爐工況有所變化，汽包小室蒸汽產(chǎn)量13FI1147與總蒸汽產(chǎn)量13FI0050開始緩慢上升，過熱蒸汽溫度13TIC0044開始緩慢下降。此表現(xiàn)主要因為新煤灰分高，有效成分少，在氧煤比設(shè)定值不變的情況下，實際氧碳比在升高，爐溫在緩慢升高。此時，開始逐漸調(diào)整氧煤比設(shè)定值，由0.820左右開始緩慢下調(diào)。1 h后穩(wěn)定在0.793.

3.1.2 合成氣組分變化

合成氣成分在線分析顯示，CO2含量緩慢升高，CH4含量緩慢降低。此表現(xiàn)主要是新煤揮發(fā)分較高，同樣溫度下合成氣成分含量不同，與煤種關(guān)系較大。約3 h后，合成氣成分在線分析顯示基本穩(wěn)定，CO2體積分數(shù)由1.91%升高至2.38%左右，CH4體積分數(shù)由超量程(量程為250×10-6)降至120×10-6左右。

3.1.3 氣化爐有效氣負荷變化

變化煤種后，有效氣(H2+CO)負荷QC1300由換煤前95.5%左右下降至93.4%左右。為保持有效氣負荷，將O2量負荷由19.15 kg/s提高至19.40 kg/s。

3.1.4 氣化爐各壓差變化

1) 渣屏壓差13PDI0065上漲不明顯，由換煤前的0.77 kPa左右上漲至0.85 kPa左右，保持穩(wěn)定。觀察渣樣，顆粒均勻，稍有針狀，粉狀渣較少，表明爐內(nèi)運行平穩(wěn)，控制合理。

2) 過熱段十字架壓差13PDI0077稍有上漲，由換煤前的6.55 kPa左右上漲至7.45 kPa左右，之后保持穩(wěn)定。

3) 氣化爐與冷卻器壓差13PDI0067稍有上漲，由換煤前的5.30 kPa左右上漲至5.95 kPa左右，后保持穩(wěn)定。

(注：運行工程師根據(jù)氣化爐整體運行工況，將激冷氣壓縮機轉(zhuǎn)速提高100 r/min，提高至9 600 r/min。)

3.1.5 陶瓷過濾器壓差變化

陶瓷過濾器S1501壓差15PDI0002基本未變，保持在7.50 kPa左右。

3.1.6 氣化爐合成氣出口溫度變化

氣化爐合成氣出口溫度13TI0018有所下降，由換煤前的313 ℃左右下降至305 ℃左右，之后基本穩(wěn)定。

在經(jīng)過上述調(diào)整后，氣化爐運行趨于平穩(wěn)，全程試燒共運行10 d，破渣機未出現(xiàn)報警，排渣正常，S1501壓差正常。正常運行后的主要參數(shù)見表5。

表5 工業(yè)化試燒主要運行參數(shù)

3.2 試燒評價

表6可知，本次試燒各個工藝單元都能夠穩(wěn)定運行，粗合成氣中有效合成氣中C含量比之前所用煤種略低；廢水中有害物質(zhì)含量合格率高。混配煤種能夠滿足殼牌煤氣化裝置長周期穩(wěn)定運行的要求。該煤種C轉(zhuǎn)化率較高，經(jīng)濟效益較好。

表6 不同混配煤使用情況比較

4 結(jié)論

采用潞安高灰分、高灰熔點的煤混配的新煤種，符合殼牌煤氣化裝置入爐煤的要求。配煤方法簡單、操作性強、易于混配均勻，為當?shù)孛壕偷剞D(zhuǎn)化高效利用打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

兩種煤混配可大幅降低石灰石用量，改善灰渣黏溫特性，優(yōu)化操作條件，降低能耗，提高經(jīng)濟性和安全性。

通過合理配煤，可充分發(fā)揮本地煤的成本優(yōu)勢，有效降低外購煤價格和運輸成本，保證煤質(zhì)長期穩(wěn)定。

可逐步推廣應(yīng)用到國內(nèi)高灰分、高灰熔點、低硅鋁比煤種地區(qū)，引導(dǎo)當?shù)仄髽I(yè)采用粉煤氣化工藝大力發(fā)展合成氨、烯烴、乙二醇、煤制氣、煤制油等現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)。

[1] 梁進倉.多倫煤化工殼牌氣化爐開車運行中的問題及處理[J].中氮肥,2013(2)：5-8.

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