高灰分、高灰熔點(diǎn)煙煤在水煤漿氣化中的應(yīng)用與技改

許 明

(中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江鶴崗 154100)

中海石油華鶴煤化有限公司(以下簡稱華鶴煤化)設(shè)計(jì)生產(chǎn)規(guī)模為300 kt/a合成氨、520 kt/a大顆粒尿素。氣化裝置采用美國GE能源水煤漿加壓氣化技術(shù)，氣化爐2開1備，氣化壓力為6.5 MPa(表壓)，采用四級閃蒸流程，原料煤使用鶴崗本地區(qū)優(yōu)質(zhì)煙煤，采用濕法棒磨制漿，低壓煤漿泵選用上海福斯特離心泵，高壓煤漿泵選用德國菲魯瓦雙軟管隔膜泵。該氣化裝置于2015年4月6日一次性投料成功。由于鶴崗煙煤的高灰分、高灰熔點(diǎn)特性，給氣化裝置長周期運(yùn)行帶來巨大的挑戰(zhàn)。通過總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，氣化爐操作溫度選定為1 350 ℃，此溫度十分接近煤漿灰熔點(diǎn)；進(jìn)行工藝優(yōu)化調(diào)整后，確保了氣壓裝置安全、高效的穩(wěn)定運(yùn)行。2016年華鶴煤化的產(chǎn)量為364 kt合成氨、608 kt尿素，合成氨和尿素分別達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)量的121.3%及116.9%。

1 高灰分、高灰熔點(diǎn)煙煤制漿對系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

華鶴煤化現(xiàn)階段采用了3種精洗煤(H- 11、H- 13、H- 16)，其中H- 11、H- 13的煤源、煤質(zhì)穩(wěn)定，H- 16煤質(zhì)時(shí)有波動且出現(xiàn)過供煤中斷的情況。選擇精洗煤作為原料煤，可有效減少外界雜質(zhì)混入煤中，避免煤漿灰分不必要的增加；精洗煤的全水分較高，且存在一定程度的浮動，但內(nèi)在水分較為穩(wěn)定，不會影響原料煤的成漿性，制漿時(shí)需關(guān)注磨機(jī)出料槽煤漿分析數(shù)據(jù)和低壓煤漿泵電流，并及時(shí)進(jìn)行水煤比調(diào)整，確保制得穩(wěn)定的高濃度煤漿[1-3]。3種原料煤的工業(yè)分析見表1。

表1 3種原料煤的工業(yè)分析

由表1可知：鶴崗煙煤具有優(yōu)異的成漿性，華鶴煤化采用的原料煤內(nèi)在水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在2%左右、哈氏可磨指數(shù)接近50，適合制得高濃度煤漿；在生產(chǎn)運(yùn)行中添加劑選用木質(zhì)素系，其加入比例為原料煤分析基的0.025%，制得煤漿濃度為65%～67%，黏度為0.2～0.6 Pa·s，煤漿穩(wěn)定性良好[4]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此種高濃度煤漿在黏度高于0.8 Pa·s時(shí)，表現(xiàn)為流動性差、易產(chǎn)生硬沉積，曾出現(xiàn)過高壓煤漿泵入口吸入量不足引起的燒嘴壓差低、高壓煤漿泵出口壓力高且與煤漿爐頭壓力差值大引起的管線振動大。通過技術(shù)改造和嚴(yán)格控制煤漿穩(wěn)定性后，問題得到解決。

鶴崗地區(qū)煙煤的高灰分、高灰熔點(diǎn)特性突出，即在相同溫度下，灰渣的黏度主要取決于煤灰的組成以及各組分間的相互作用。CaCO3在高溫下化學(xué)性質(zhì)活潑，產(chǎn)生的CaO可與耐火磚主要成分Cr2O3發(fā)生反應(yīng)，并形成低熔點(diǎn)共聚物，故石灰石是引起耐火磚侵蝕消耗的主要物質(zhì)之一。另外，較低的灰分可以減少無機(jī)物對于耐火磚的沖刷。3種原料煤煤灰的組成與灰熔點(diǎn)比較見表2。

表2 3種原料煤煤灰的組成與灰熔點(diǎn)比較

注：DT變形溫度，ST軟化溫度，HT半球溫度，F(xiàn)T流動溫度，CRC焦渣特性

由表2可知：軟化溫度ST在1 350～1 500 ℃、流動溫度FT在1 400～1 500 ℃，按MT/T 853—2000分類，煤灰既屬于較高軟化溫度灰，又屬于較高流動溫度[5]。為保持較低的氣化爐操作溫度，并滿足氣化爐液態(tài)排渣，必須添加助溶劑，以降低煤灰的灰熔點(diǎn)。

2 爐溫的選擇

圖1 H- 11加4%石灰石煤灰黏度曲線

根據(jù)煤科院北京分院提供報(bào)告中的表3和圖1，綜合高灰分和高爐溫操作對運(yùn)行的影響，將石灰石添加比例確定為原料煤分析基的4%～5%，并關(guān)注每天灰熔點(diǎn)的變化，及時(shí)調(diào)整助溶劑的加入比例，將煤漿灰熔點(diǎn)(FT)控制在1 350 ℃以下，氣化爐操作溫度控制在1 340～1 360 ℃、甲烷體積分?jǐn)?shù)在(1 000～1 500)×10-6，由此帶來的好處是可有效延長耐火磚的使用壽命，并提高了有效氣率。值得一提的是，將爐溫控制在接近灰熔點(diǎn)的操作方法，并未造成渣口頻繁堵塞，這打破了水煤漿加壓氣化在爐溫選擇上高于煤漿灰熔點(diǎn)50～100 ℃的傳統(tǒng)操作。

表3 添加不同比例助熔劑的對比

3 運(yùn)行情況

(1) 為了研究和控制煤漿灰分，選取1個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，共29個(gè)，去掉1個(gè)最大值、1個(gè)最小值，原料煤灰分最高為14.42%，最低為10.63%，平均值為12.43%，煤漿灰分平均17.6%，灰熔點(diǎn)平均1 333.74 ℃。由于使用高灰分煤漿，嚴(yán)重影響耐火磚和設(shè)備管線的使用壽命，制約著氣化裝置連續(xù)運(yùn)行周期，因此選取H- 11和H- 16進(jìn)行配煤摻燒運(yùn)行，比例為2∶1。當(dāng)原料煤灰分降至11.6%時(shí)，煤漿濃度和黏度均較好，石灰石添加比例可降至3%，灰熔點(diǎn)控制在1 330 ℃，煤漿平均灰分降至14.5%；也曾因H- 16煤質(zhì)、煤源不穩(wěn)定恢復(fù)為單一煤種制漿的情況。據(jù)有關(guān)資料，在相同的水煤漿氣化條件下，若原料煤灰分的絕對含量降低1%，分析基比煤耗約降低0.33%，比氧耗約降低0.72%。因此，降低煤漿灰分不僅有助于提高氣化爐的氣化效率，還可減輕灰渣對耐火磚的侵蝕和磨損，降低黑水中的固含量，減緩黑水對管道、閥門及設(shè)備的磨損，經(jīng)濟(jì)效益明顯[6]。

(2) 氣化粗渣一定程度上反映出碳轉(zhuǎn)化率和氣化爐內(nèi)熔渣狀態(tài)。氣化裝置粗渣多為小顆粒球狀、無拉絲呈烏黑色，也有少量塊渣略帶墨綠色，說明熔渣在渣口處流動較好。根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，粗渣殘?zhí)计骄禐?.05%，按工藝包設(shè)計(jì)值2.6%～12.5%，屬較低范圍，表明碳轉(zhuǎn)化率較好。每生產(chǎn)1 000 m3(標(biāo)態(tài))有效氣(CO+H2)的煤耗為600 kg(即比煤耗)，也證明了這一點(diǎn)。

(3) 隨著氣化爐運(yùn)行周期的不斷延長，工藝燒嘴磨損逐步加劇，不可避免地產(chǎn)生燒嘴噴射霧化效果變差，為保障煤漿的充分燃燒和氣化爐連續(xù)液態(tài)排渣，根據(jù)實(shí)際工況對氣化爐操作進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。此時(shí)要關(guān)注有效氣體成分、氣化爐托磚板熱耦溫度以及氣化爐爐壁溫度，做到對渣口壓差的嚴(yán)格把控，要有預(yù)見性地進(jìn)行操作調(diào)整，如提高中心氧比例，可逐步由正常運(yùn)行的17.5%提高至19.0%，加強(qiáng)霧化效果；關(guān)注渣樣形態(tài)和殘?zhí)迹m當(dāng)增加氧煤比，提高氣化爐操作溫度，使煤漿充分燃燒，確保氣化爐有較高的碳轉(zhuǎn)化率。在正常工況操作要求下，調(diào)整負(fù)荷時(shí)要緩慢，穩(wěn)定煤漿濃度和氧煤比，減小氣化爐溫度、系統(tǒng)壓力的波動等，可有效避免渣口堵塞，至今未出現(xiàn)因渣口堵塞而造成的氣化爐停車。

(4) 煤漿濃度的提升有助于提高氣化效率和有效氣產(chǎn)量，根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)核算得到結(jié)論：煤漿濃度每增加1%，CO體積分?jǐn)?shù)約增加0.6%，H2體積分?jǐn)?shù)約增加0.1%。每生產(chǎn)1 000 m3(標(biāo)態(tài))的有效氣(CO+H2)氧耗降低4.4 m3(標(biāo)態(tài))，煤耗約降低3.4 kg；此外，在煤漿濃度不變的情況下，適當(dāng)降低氣化爐的操作溫度，也有助于提升有效氣體成分。華鶴煤化有效氣成分達(dá)到84.5%以上(干基氣)，屬同行業(yè)領(lǐng)先水平。因此，制得高濃度煤漿和選擇適當(dāng)?shù)臍饣癄t操作溫度，可獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

(5) 針對不同的外部條件和耐火磚損傷消耗的不同規(guī)律，將氣化爐耐火磚的損傷分為塊狀剝落、燒蝕損壞、沖蝕損壞、化學(xué)侵蝕等。在氣化爐生產(chǎn)運(yùn)行中，沖蝕和化學(xué)侵蝕是不可避免的，唯有保持向火面耐火磚上適當(dāng)厚度的渣層，使其以渣抗渣、阻斷高溫還原氣體與其直接接觸，達(dá)到減少損耗的目的。氣化爐耐火磚由中鋼耐火材料公司生產(chǎn)，為了提高耐火磚的使用壽命，除了嚴(yán)把耐火磚自身性能與筑爐質(zhì)量，還通過盡量降低煤漿灰分、石灰石的添加量，將氣化爐爐溫控制在較低溫度下操作，并采用了延長系統(tǒng)運(yùn)行周期、減少開停車頻率等方法。實(shí)際運(yùn)行中，筒體向火面磚使用壽命約為16 000 h，拱頂向火面磚的約為20 000 h，錐底向火面磚的約為11 000 h。

4 制漿存在的問題與技改措施

(1) 鶴崗地區(qū)冬季最低溫度可達(dá)-38 ℃，冬季原煤儲存與使用較為困難，原料煤外在水分含量高，易結(jié)冰、架橋堵塞煤倉。雖然每個(gè)煤儲斗設(shè)計(jì)有2個(gè)煤倉、4個(gè)低壓氮?dú)馀?，但因振打效果不理想，時(shí)常發(fā)生雙煤倉架橋堵塞，造成磨煤機(jī)被迫停機(jī)，操作人員需拆手孔進(jìn)行疏通。針對此種情況，對磨煤廠房加裝氣暖，保證適宜的廠房溫度；同時(shí)，對煤倉加裝電磁振動器，每個(gè)煤倉下料口至煤給料機(jī)插板閥之間安裝1個(gè)，使用效果較佳，解決了冬季煤倉易堵塞架橋的問題。

(2) 原設(shè)計(jì)的石灰石給料機(jī)為螺旋式輸送機(jī)，最大輸送能力為2 t，無法滿足單臺磨機(jī)和雙爐運(yùn)行的使用量；且螺旋式輸送機(jī)不適宜輸送易結(jié)塊、黏性物料，煤、石灰石、磨煤水三者加料口是連通的，磨煤水溫度約為40 ℃，水汽上升遇石灰石結(jié)塊，堵塞下料管線和給料機(jī)。技術(shù)改造是將原給料機(jī)更換為皮帶式輸送機(jī)，保留原有星型給料器和插板閥；從磨機(jī)給水調(diào)閥后引一路管線至石灰石下料口，并與石灰石下料管形成一定角度，原設(shè)計(jì)磨機(jī)加水口停用，使水噴入石灰石下料管，沿內(nèi)管壁螺旋下降，將石灰石沖入磨機(jī)。改造后已無石灰石堵塞，用量可滿足單臺磨機(jī)、雙爐運(yùn)行，為磨機(jī)提供了寬裕的檢修時(shí)間。

(3) 低壓煤漿泵采用立式離心泵，設(shè)計(jì)最大流量65 m3/h、轉(zhuǎn)速1 500 r/min，運(yùn)行初期煤漿濃度控制較低約61%，單泵運(yùn)行穩(wěn)定。制漿調(diào)整、優(yōu)化操作后，煤漿濃度逐漸提升至66%，低壓煤漿泵出現(xiàn)電機(jī)易過載、轉(zhuǎn)速無法提升、打量不足等情況。經(jīng)與設(shè)備生產(chǎn)廠家協(xié)商，將電機(jī)功率由30 kW 更換為45 kW，并優(yōu)化變頻器調(diào)節(jié)程序，提高了低壓煤漿泵輸送能力。

(4) 燒嘴壓差一直是同行業(yè)的嚴(yán)控指標(biāo)，通過燒嘴壓差的變化可初步判斷工藝燒嘴的磨損情況和霧化效果。裝置運(yùn)行初期，時(shí)常有硬物卡塞

高壓煤漿泵進(jìn)出口單向閥，出現(xiàn)燒嘴壓差低并伴有較大幅度波動，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全生產(chǎn)。檢修時(shí)對高壓煤漿泵單向閥閥球和密封件進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)卡塞異物多為鐵制品。雖煤儲運(yùn)輸煤皮帶上部有電磁除鐵器，但因金屬混入煤中，并不能全部去除，另外磨機(jī)內(nèi)鋼棒磨損也會形成鐵屑。經(jīng)過剖析原因后，對磨煤機(jī)出口滾筒篩進(jìn)行改造，增設(shè)了永磁除鐵器20個(gè)，其規(guī)格為80 mm×160 mm，滾筒篩共4個(gè)格，將其布置在磨機(jī)出漿的前2格內(nèi)壁上，并且不同格的除鐵器交錯(cuò)布置，定期倒停磨機(jī)對永磁除鐵器進(jìn)行清理，既解決了高壓煤漿泵單向閥卡塞問題，又減輕了低壓煤漿泵葉輪的磨損。

5 結(jié)語

使用鶴崗地區(qū)煙煤為原料煤，內(nèi)水含量低，成漿性優(yōu)異，制得煤漿濃度高，有助于氣化效率的提高。高灰分、高灰熔點(diǎn)煤質(zhì)需加助溶劑以降低灰熔點(diǎn)，煤漿灰分的增加會導(dǎo)致氧耗、煤耗增大，因此助溶劑加入比例應(yīng)適當(dāng)選擇小值；可采用配煤摻燒的方法，降低灰分和灰熔點(diǎn)，并進(jìn)一步減少助溶劑的加入量。氣化爐操作溫度可接近或低于灰熔點(diǎn)(FT)，主要根據(jù)灰渣黏溫特性曲線，保持在此操作溫度下灰渣的黏度在5～15 Pa·s范圍內(nèi)，同時(shí)較低的操作爐溫可以有效提高耐火磚使用壽命。

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