SYCTC-1項目水煤漿氣化原料煤存在問題分析及解決措施

摘要：不同煤質(zhì)灰的粘溫特性往往決定了水煤漿氣化爐是否正常運(yùn)行，為了研究西灣2-2煤和大保當(dāng)煤是否可以作為SYCTC-1項目氣化爐的原料煤，通過酸堿比計算數(shù)據(jù)、粘溫特性分析及氣化爐試燒，發(fā)現(xiàn)西灣礦2-2煤、大保當(dāng)?shù)V2-2煤粘溫特性差不適合水煤漿氣化，大保當(dāng)?shù)V3-1煤、4-3煤、5-3煤、5-4煤滿足氣化用煤要求;對于粘溫特性和酸堿比不合適的煤，提出了解決措施：西灣2-2煤摻配10%榆家梁4-3煤，大保當(dāng)2-2煤配大保當(dāng)4-4煤摻配比例約為20%，煤灰的粘溫特性好，氣化爐操作窗口大大增寬，有利于氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：水煤漿;堵渣;原料煤;粘溫特性;措施

中圖分類號：TQ534??文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 前言

神華榆林循環(huán)經(jīng)濟(jì)煤炭綜合利用項目（簡稱“CTC”項目），發(fā)揮神華煤化工項目規(guī)?；?、一體化、基地化布局優(yōu)勢，擬先期建設(shè)神華榆林循環(huán)經(jīng)濟(jì)煤炭綜合利用項目第一階段（簡稱SYCTC-1項目）180萬噸/年煤制甲醇聯(lián)產(chǎn)40萬噸/年乙二醇。由空分、煤氣化、變換、酸性氣體脫除、甲醇合成、硫磺回收和乙二醇等工藝裝置和配套的公用工程、輔助設(shè)施組成。其中公用工程、輔助設(shè)施和甲醇下游加工項目緊密結(jié)合，兩個項目在生產(chǎn)管理上合為一體。

SYCTC-1項目煤氣化工藝選用GE水煤漿氣化工藝，氣化爐采用51 m³大尺寸激冷氣化爐，燃燒室直徑3.8米，激冷室直徑4.6米，五臺爐，三開兩備，單臺爐日投干煤煤量3000噸，采用6.5 MPa（G）的氣化壓力、濕法制水煤漿、激冷流程、采用四級閃蒸來處理氣化黑水。為甲醇裝置和乙二醇裝置提供原料氣，有效氣（CO+H₂）產(chǎn)量6.58×10⁵Nm³/h，設(shè)計生產(chǎn)1000 Nm³有效氣（CO+H₂）原料煤耗（干基）不超過599 kg，純氧氣消耗不超過393 Nm³。

SYCTC-1項目氣化原料煤選用陜西省陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)當(dāng)?shù)卮蟊．?dāng)、西灣煤，由于大保當(dāng)煤開采時間稍晚，開采前過渡期使用西灣煤。在裝置建設(shè)開車前，不同煤種對氣化爐的正常運(yùn)行影響至關(guān)重要。

2 水煤漿氣化對原料煤的要求及影響因素

作為水煤漿加壓氣流床氣化的原料煤，直接影響著氣化性能、以及氣化裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。對于氣化用原料煤的影響因素非常多，主要有煤的灰分含量、煤渣的熔融特性、煤灰的粘溫特性、揮發(fā)分、內(nèi)水含量等。

煤的灰分增加，氧耗和煤耗均增加，燒嘴和耐火磚的磨損加劇，壽命縮短，氣化黑水和灰水中固含量升高，管線、閥門及設(shè)備磨損增加。

灰渣的粘溫特性決定氣化爐的操作溫度，并影響耐火磚的壽命、排渣及氣化黑水和灰水中的固含量等。若粘溫特性較差，液態(tài)渣在流動過程中，隨溫度降低，粘度上升，流動性減慢，從而形成掛渣，堵塞渣口。較快的氣流速度容易將液態(tài)灰渣拉成玻璃絲狀，給停工檢修帶來較大困難^[1-4]。

3 氣化原料煤存在問題及分析

3.1 氣化原料煤存在問題

在神木化工一期日投煤1000噸氣化裝置（單爐日處理煤量500噸）試燒西灣煤10日，來檢測西灣煤的氣化效果。由于試燒期間西灣煤煤質(zhì)波動大、粘溫特性差，即使在操作溫度偏高的情況下，2#、3#氣化爐渣口仍頻繁堵塞，渣口壓差由正常0.01 MPa～0.02 MPa上升到0.07 MPa，最大達(dá)到0.1 MPa。合成氣組成受渣口壓差影響波動較大，CO含量由44%上升到51.5%，CO₂含量由19%降到16%。氣化爐排渣出現(xiàn)大塊渣并有拉絲現(xiàn)象，鎖斗收渣不暢。

為了降低渣口壓差和順利排渣，需提高氣化爐的操作溫度，將氧煤比由510左右提高到545左右，爐溫由1300℃逐漸提高，甚至超過1400℃。對氣化爐進(jìn)行多次降負(fù)荷調(diào)整操作后，這種現(xiàn)象仍未得到緩解。

為了緩解氣化爐渣口頻繁堵塞現(xiàn)象，將西灣煤和錦界煤按1：1配比進(jìn)行配煤摻燒，摻燒錦界煤后，氣化爐渣口堵塞現(xiàn)象未出現(xiàn)明顯的好轉(zhuǎn)。隨后氣化爐用煤全部切換為錦界煤，3#氣化爐基本恢復(fù)正常，2#爐一直未恢復(fù)正常，氣化爐停車檢修。

3.2 主要原因分析

試燒西灣2-2煤前，神木化工氣化裝置一直使用錦界3-1煤，氣化爐的運(yùn)行狀況良好。試燒西灣2-2煤期間出現(xiàn)上述現(xiàn)象導(dǎo)致氣化爐無法正常運(yùn)行，主要原因是西灣2-2煤的粘溫特性較差導(dǎo)致的。西灣2-2煤粘溫特性曲線見圖1。

氣化爐正常運(yùn)行時對于熔渣粘度有一定的要求，一般為25 Pa·s左右。由圖1可以看出，在較低的氣化溫度時，西灣2-2煤的粘溫特性曲線較陡，在稍高的氣化溫度后，西灣2-2煤的粘溫特性曲線才變得緩和。西灣2-2煤熔渣粘度10～50 Pa·s對應(yīng)的溫度范圍為1180～1192℃，溫度差只有12℃，操作范圍比較窄，氣化爐膛溫度發(fā)生小的梯度變化，將使熔渣的粘度急劇變化，導(dǎo)致渣口收縮，引起渣口壓差上漲現(xiàn)象。當(dāng)熔渣流動到渣口下方時，溫度會稍有下降，熔渣流動性急劇下降，導(dǎo)致熔渣堵塞渣口下方或下降管。嚴(yán)重影響到氣化爐的正常運(yùn)行，燒壞下降管、激冷環(huán)并造成堵塞，損壞設(shè)備，大大提高了生產(chǎn)操作難度和運(yùn)行風(fēng)險。而且這種現(xiàn)象是通過操作不可恢復(fù)的，只能通過停車檢修以消除。

對于煤灰而言，其溫度越高粘度越低，灰渣的流動性就越好。由于存在熱量損失，氣化爐爐膛溫度一般高于渣口處溫度，兩者溫差一般在20～30 ℃，灰渣熔融流動性較好，渣口處下渣順暢^[3]。氣化爐是否堵渣與灰渣的粘溫特性有直接關(guān)系，若能將粘溫特性控制在一定范圍內(nèi)，使得熔渣具有較好的流動性，就能實(shí)現(xiàn)氣化爐不堵渣長周期運(yùn)行。

錦界3-1煤粘溫特性曲線見圖2。由圖1和圖2可以看出，錦界3-1煤的粘溫曲線相對于西灣2-2煤來說，就較平緩。錦界3-1煤的熔渣粘度在10～50 Pa·s時對應(yīng)的氣化溫度范圍為1230～1290℃，溫度差達(dá)到60℃，氣化爐溫度的操作窗口相對較寬，氣化爐運(yùn)行相對穩(wěn)定，與神木化工使用錦界煤時氣化爐的運(yùn)行狀況良好是吻合的。

煤灰的粘溫特性與煤灰組成有關(guān)，每種組分的比例對粘溫特性的影響是不同的。為了表示煤灰組成對粘溫特性的影響程度，粗略判斷反應(yīng)灰渣粘溫特性的趨勢，用煤灰組成中酸性組分與堿性組分的比值來表示。不同煤種的煤灰組成見表1。

從表1可以看出，西灣2-2煤、錦界3-1煤、榆樹灣2-2煤的煤質(zhì)分析可看出，西灣2-2煤的煤質(zhì)與榆樹灣2-2煤比較接近;西灣2-2煤的煤灰酸堿比為0.92，榆樹灣2-2煤的煤灰酸堿比只有0.77，錦界3-1煤的煤灰酸堿比為3.72。西灣2-2煤的煤灰酸堿比與榆樹灣2-2煤接近，而錦界3-1煤呈現(xiàn)較高的煤灰酸堿比，這主要是因?yàn)殄\界3-1煤的煤灰中酸性物質(zhì)氧化硅和氧化鋁含量高，而堿性物質(zhì)氧化鐵和氧化鈣含量較少導(dǎo)致的。

榆樹灣2-2煤，煤灰酸堿比只有0.77，某公司開車初期氣化爐渣口頻繁堵塞，下降管、激冷環(huán)頻繁燒毀，裝置長時間無法正常運(yùn)行。經(jīng)過煤質(zhì)分析研究發(fā)現(xiàn)煤的粘溫特性存在問題，經(jīng)過配沙改善煤灰酸堿比到1.4左右，改善粘溫特性后氣化爐才實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行。

榆樹灣礦、西灣礦、大保當(dāng)?shù)V處于相鄰位置，屬陜西省陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)，榆神礦區(qū)構(gòu)造簡單，主要可采煤層穩(wěn)定，以長焰煤和不粘煤為主;有2-2、3-1、4-3、5-3等煤層可開采。2-2、3-1、4-3、5-3煤層穩(wěn)定，為全區(qū)可采煤層，且2-2煤層為全區(qū)可采煤層中厚度最大的煤層，平均厚度8～11.14 m。

結(jié)合表1，榆樹灣2-2煤和西灣2-2、大保當(dāng)2-2煤工業(yè)分析、元素分析、煤灰組成等都非常接近，煤灰酸堿比都偏小，所以這幾種煤都會存在粘溫特性較差的問題。

因此，若使用西灣2-2煤、大保當(dāng)2-2煤作為氣化原料煤時，需要通過調(diào)整煤灰組成以改善煤灰的渣粘溫特性，使氣化爐操作窗口的溫度范圍增寬到合理區(qū)間。

4 不同煤質(zhì)的解決措施

4.1 西灣煤的解決措施

針對西灣2-2煤，考慮通過用不同煤質(zhì)的煤相摻配的措施來改善煤灰的粘溫特性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)粗略判斷煤灰的酸堿比目標(biāo)值控制在1.5左右比較合理。由于鍋爐燃料煤使用錦界3-1煤，如用錦界3-1煤摻配便于操作和管理。經(jīng)計算西灣煤配錦界煤摻配比例為30%時，灰分8.4%，酸堿比1.63，方案比較合理，年需摻配錦界煤100萬噸左右。由于錦界煤灰分較低（約12%），摻配比例大，受運(yùn)輸條件和煤礦供應(yīng)的限制，這種摻配比實(shí)際是不可行的。

若想降低摻配錦界3-1煤的比例、減少運(yùn)輸量，需要尋找周邊高灰分、高酸堿比的煤作為摻配煤種。為此，對周邊榆家梁煤礦、保德礦等5個礦井煤質(zhì)情況進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查和煤質(zhì)化驗(yàn)結(jié)分析。本著就近原則，經(jīng)煤質(zhì)化驗(yàn)分析，認(rèn)為榆家梁礦4-3煤比較合適。

榆家梁礦4-3煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表3。從表3可以看出，榆家梁礦4-3煤灰分為28.23%，酸堿比為5.13，滿足高灰分、高酸堿比的要求。

西灣2-2煤與榆家梁4-3煤摻配表見表4。從表4中可以看出，西灣2-2煤摻配榆家梁4-3煤比例為10%時，灰分8.7%，酸堿比1.49，這種摻配方案比較合理，年需摻配榆家梁4-3煤33萬噸左右。

由于煤灰酸堿比差異很大，且每種煤灰組分對粘溫特性的影響都不同。所以，在確定大致的摻燒比例后還需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)際粘溫特性曲線，最終確定摻配比例。由圖3知西灣2-2煤摻配10%榆家梁4-3煤粘溫特性分析，熔渣粘度10～50Pa·s時對應(yīng)的溫度差值約為100℃，氣化爐操作窗口較寬，有利于氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 大保當(dāng)煤的解決措施

大保當(dāng)各煤層灰渣組成平均數(shù)據(jù)見表5。由表5灰渣組成得數(shù)據(jù)中，可以大致判斷3-1煤層、4-3煤層、5-3煤層、5-4煤層可以滿足氣化要求，少數(shù)區(qū)域煤層的煤需要配煤，如大保當(dāng)2-2煤和4-4煤。

大保當(dāng)2-2煤層酸堿比為1.0，比氣化爐正常操作時的酸堿比較小，且粘溫特性差，而大保當(dāng)4-4煤酸堿比9.6，則較高，而灰熔點(diǎn)高不利于氣化。為了達(dá)到氣化爐正常運(yùn)行所需要的煤質(zhì)要求，可將2-2煤與4-4煤摻配互補(bǔ)。當(dāng)大保當(dāng)2-2煤配大保當(dāng)4-4煤摻配比例約為20%時，灰分為8.08%，酸堿比為1.59，這種摻配方案比較合理，年需摻配大保當(dāng)4-4煤約66萬噸左右。

5 結(jié)論

為了研究西灣2-2煤和大保當(dāng)煤是否可以作為SYCTC-1項目氣化爐的原料煤，通過在神木化工氣化爐上試燒，發(fā)現(xiàn)兩種煤質(zhì)差別較大，而不同煤質(zhì)灰渣的粘溫特性往往決定了氣化爐是否正常運(yùn)行，通過試燒，給出了西灣2-2煤和大保當(dāng)煤的解決措施，并得出結(jié)論如下：

（1）從西灣2-2煤質(zhì)分析和神木化工的試燒情況看，西灣煤煤質(zhì)波動較大，煤灰分偏低、煤灰酸堿比偏低、粘溫特性差、操作溫度窗口過窄，氣化爐不能正常運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)氣化爐正常運(yùn)行，可以采取配煤的措施，適當(dāng)提高灰分、提高酸堿比、改善粘溫特性、增寬操作溫度窗口。西灣2-2煤摻配10%榆家梁4-3煤方案較為合理，煤灰的粘溫特性好，熔渣粘度10-50Pa·s之間對應(yīng)的溫度差值從摻配前12℃提高到100℃，氣化爐操作窗口大大增寬，有利于氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行。而配煤設(shè)施在設(shè)計時留有余量，按20%的氣化用煤量進(jìn)行設(shè)計。

（2）大保當(dāng)?shù)V3-1煤層、4-3煤層、5-3煤層、5-4煤層滿足氣化用煤要求，大保當(dāng)2-2煤配大保當(dāng)4-4煤摻配比例約為20%，可滿足氣化用煤要求。

（3）使用西灣2-2煤作為氣化原料煤，需要解決摻配煤種的煤源問題。在大保當(dāng)煤礦能夠正常供應(yīng)原料煤前，氣化原料煤采用西灣2-2煤與榆家梁4-3煤摻配的方式來供煤。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹芳賢，鄭寶祥.灰渣粘溫特性對液態(tài)排渣氣化爐運(yùn)行的影響[J].大氮肥，2002（06）：369-372.

[2] 李培豐.談原料煤黏溫特性對德士古氣化爐運(yùn)行的影響[J].化工管理，2018（21）：14-16.

[3] 李樂倫，李娜.多噴嘴水煤漿氣化爐堵渣原因及原料煤粘溫特性淺析[J].中氮肥，2018（06）：14-16.

[4] 馬鴻雷.氣化用煤及混配煤的粘溫特性研究[J].山東煤炭科技，2015（07）：166-168.

作者簡介：馮長志，男，1980年出生，陜西渭南人，畢業(yè)于西安科技大學(xué)，本科，工程師，從事煤化工技術(shù)管理工作。

（作者單位：神華榆林能源化工有限公司）