多噴嘴水煤漿氣化爐堵渣原因及原料煤粘溫特性淺析

李樂倫，李 娜

（1.兗礦新疆煤化工有限公司，新疆烏魯木齊 830011；2.新疆大學(xué)，新疆烏魯木齊 830000）

1 氣化裝置生產(chǎn)狀況及背景

兗礦新疆煤化工有限公司600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目采用多噴嘴水煤漿加壓氣化爐等7項(xiàng)國際先進(jìn)、國內(nèi)一流的技術(shù)，配套建設(shè)300kt／a甲醇、300kt／a合成氨、520kt／a尿素裝置。項(xiàng)目共配有3臺多噴嘴水煤漿氣化爐 （兩開一備），以新疆本地煤為原料。原料煤煤質(zhì)穩(wěn)定是氣化裝置穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，可以說在煤化工企業(yè)生產(chǎn)中“煤質(zhì)穩(wěn)定則氣化裝置運(yùn)行穩(wěn)定，氣化裝置運(yùn)行穩(wěn)定則全廠生產(chǎn)穩(wěn)定”。新疆的煤炭儲量非常大，但是沒有太多適合多噴嘴水煤漿氣化爐使用的煤炭；而且，在開采過程中，由于遇到斷層等工程地質(zhì)條件的變化，同一礦點(diǎn)的原料煤煤質(zhì)變化可能也較大，且供應(yīng)量有限。

兗礦新疆煤化工有限公司600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目自2012年9月27日氣化爐投料以來，由于對原料煤煤質(zhì)及煤灰性質(zhì)掌控欠缺，3臺氣化爐（兩開一備）反復(fù)出現(xiàn)激冷室渣堵、下降管燒穿、氣化爐運(yùn)行周期短、耐火磚侵蝕嚴(yán)重等問題，氣化爐頻繁減量、切氣、停車，氣化裝置運(yùn)行磕磕絆絆、事故頻發(fā)，生產(chǎn)運(yùn)營極為被動，成為制約系統(tǒng)長周期、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素；而且，頻繁開停車消耗了大量的人力、物力、財(cái)力，噸氨煤耗及噸尿素氨耗均居高不下。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，僅2015年全年因堵渣造成單臺氣化爐切氣或停車達(dá)16次，給公司的運(yùn)營造成嚴(yán)重影響和帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失。雖然公司 （針對不達(dá)標(biāo)的原料煤）采取了截倉處理及提高爐溫、降低負(fù)荷、不定期倒?fàn)t等應(yīng)對措施，但終因渣堵嚴(yán)重，氣化爐無法繼續(xù)運(yùn)行，氣化裝置被迫停車處理。

因此，“吃透”新疆煤煤質(zhì)特性，篩選出合適的原料煤，對部分煤種進(jìn)行調(diào)配以拓寬氣化煤種，即尋求合適、（煤質(zhì)）穩(wěn)定的原料煤成為解決生產(chǎn)被動的關(guān)鍵所在。

2015年公司開始認(rèn)識到氣化用煤灰渣粘溫特性的重要性，并逐步以原料煤粘溫特性為主導(dǎo)因素，嚴(yán)格把控入廠氣化用煤質(zhì)量，并嘗試配煤試燒，經(jīng)過不斷摸索、總結(jié)，氣化爐工況趨于穩(wěn)定，基本杜絕了堵渣現(xiàn)象，目前公司雙爐 （3臺氣化爐，兩開一備）雙系統(tǒng) （合成氨-尿素系統(tǒng)、甲醇系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)了安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行，多噴嘴水煤漿加壓氣化技術(shù)工藝可靠、技術(shù)先進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)得到了體現(xiàn)。

2 氣化爐堵渣的原因

水煤漿與純氧在氣化爐內(nèi)反應(yīng)，其灰渣呈熔融狀態(tài)沿氣化爐內(nèi)壁流向渣口，若渣口處溫度能夠使灰渣處于較好的流動狀態(tài) （即該溫度下灰渣的粘度適當(dāng)、流動性好），氣化爐則能正常排渣；反之，灰渣的流動性差，不能順暢流動，就會在氣化爐渣口處形成積渣，并伴隨氣化爐渣口壓差上升，這便是氣化爐堵渣的原因。

通常認(rèn)為，氣化爐正常操作溫度控制在1200～1350℃，即一般高于原料煤灰熔點(diǎn)50～100℃，這是業(yè)內(nèi)及文獻(xiàn)中最常見的說法［1］，在此溫度區(qū)間操作就能夠保證氣化爐下渣順暢，確保氣化爐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。但實(shí)際生產(chǎn)中情況千差萬別，我公司的情況就并非如此。我公司在氣化爐投運(yùn)初期，其操作指導(dǎo)方針是：氣化爐爐膛溫度高于氣化煤灰熔點(diǎn)50～100℃，氣化爐正常操作溫度控制在1200～1350℃。在這樣的操作指導(dǎo)方針下，我公司氣化爐的實(shí)際運(yùn)行情況卻是運(yùn)行周期短、耐火磚侵蝕嚴(yán)重，易發(fā)生氣化爐排渣不暢、下降管燒穿等事故。圖1是堵渣頻繁時(shí)期我公司氣化用煤灰熔點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)?？梢钥闯?，原料煤灰熔點(diǎn)波動頻繁且幅度較大，波動幅度最高達(dá)60℃，如果爐況調(diào)整不及時(shí)，必定導(dǎo)致氣化爐出現(xiàn)問題。結(jié)合下文圖2可以看出，煤的灰熔點(diǎn)只是表征此時(shí)灰渣處于熔融狀態(tài)，并不能說明其具有較好的流動性，或者氣化爐操作溫度再升高50～100℃，灰渣就具有較好的流動性。

圖1 堵渣頻繁時(shí)期氣化用煤灰熔點(diǎn) （FT）統(tǒng)計(jì)

通過對堵渣原因的分析可知，氣化爐堵渣與否與灰渣的粘度有直接關(guān)系，若能較好地把控灰渣的粘溫特性，就能實(shí)現(xiàn)氣化爐少堵渣、不堵渣乃至穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。因此，對煤灰的粘溫特性進(jìn)行研究非常有必要。

3 氣化爐操作溫度的確定

對于煤灰而言，其溫度越高粘度越低，灰渣的流動性就越好。原料煤在氣化爐內(nèi)反應(yīng)后，渣口處灰渣呈熔融流動狀態(tài)其粘度為25Pa·s時(shí)對應(yīng)的溫度稱為T25，渣口處灰渣呈熔融流動狀態(tài)其粘度為3Pa·s時(shí)對應(yīng)的溫度稱為T3；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℃，稱為T損。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)灰渣溫度在T25～T3之間，即灰渣的粘度在25～3Pa·s時(shí)，灰渣熔融流動性較好，渣口處下渣順暢。

3.1 爐溫上限的確定

依據(jù)煤灰的粘溫特性曲線，我公司氣化爐操作溫度高限一般定為T3+T損，且操作溫度高限還必須小于1400℃，這是考慮到爐內(nèi)耐火磚的使用壽命。經(jīng)驗(yàn)表明，氣化爐操作溫度每升高100℃，耐火磚損壞率會增加3～4倍，且在較高溫度下灰渣粘度非常小，流動性極好，會導(dǎo)致耐火磚表面無掛渣，不能形成有效的保護(hù)層，耐火磚直接接觸高溫氣體，侵蝕和剝落加劇，對耐火磚十分不利，其使用壽命將明顯縮短。現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室測試均表明，當(dāng)操作溫度與特定的灰渣粘度相匹配時(shí)，耐火磚使用壽命最長。此外，氣化爐操作溫度高，還會造成有效氣成分偏低、比煤耗和比氧耗偏高、灰水藥劑消耗量增大［2］。

3.2 爐溫下限的確定

爐溫下限的確定，主要是為了確保氣化爐能夠順暢排渣，應(yīng)視煤質(zhì)情況予以確定。依據(jù)煤灰的粘溫特性曲線，我公司氣化爐操作溫度下限一般定為T25+T損。此外，一般來說，氣化爐操作溫度下限要高于煤的灰熔點(diǎn)，并且保證其灰渣具有一定的流動性，以便能夠順利排渣。

因此，氣化爐只有在煤灰最佳粘度對應(yīng)的溫度范圍內(nèi)操作，爐磚表面才能形成一定厚度的灰渣保護(hù)層，既延長耐火磚的使用壽命又不堵塞渣口。

3.3 氣化爐操作彈性

由于煤形成的條件不同，即使同一地區(qū)出產(chǎn)的原料煤，其性質(zhì)也不是完全相同的，這樣一來，在確定氣化用煤最佳操作溫度時(shí)要有一定的彈性，從而提高氣化爐抗風(fēng)險(xiǎn)的能力。

我公司以實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在長期的實(shí)際生產(chǎn)中得到較為實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)是：灰渣的粘度與氣化爐操作溫度呈負(fù)相關(guān)，即溫度越高灰渣的粘度越小，對于多噴嘴水煤漿氣化爐 （液態(tài)排渣）而言，可操作溫度最大控制范圍應(yīng)滿足灰渣粘度在3～25Pa·s內(nèi)，溫度區(qū)間越大，氣化爐的可操作范圍越寬。我公司在保證氣化爐能夠順利排渣的情況下，選擇氣化爐操作彈性區(qū)間為T3-T25≥30℃?；以恼硿靥匦允谴_定液態(tài)排渣氣化爐操作溫度的重要參數(shù)，但需要補(bǔ)充一點(diǎn)的是，煤的灰熔點(diǎn)低，不一定其粘溫特性曲線就好；此外，通常而言的氣化爐正常操作溫度一般高于煤灰熔點(diǎn)50～100℃的說法也是不準(zhǔn)確的。以下以我公司氣化爐所用原料煤M1和M2為例進(jìn)行說明。

我公司所用原料煤M1和M2的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 原料煤M1和M2的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

我公司M1煤的粘溫特性曲線如圖2所示，其灰熔融性溫度 （FT）是1120℃，按照氣化爐正常操作溫度一般高于煤灰熔點(diǎn)50～100℃的說法，M1煤的操作溫度應(yīng)該為1170～1220℃；但由圖2可清楚地看出，此溫度區(qū)間對應(yīng)的灰渣粘度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于25Pa·s，堵渣是必然的。M1煤T25對應(yīng)的溫度為1236℃，T3對應(yīng)的溫度為1262℃，可以計(jì)算得到M1煤的氣化操作溫度上限為1292℃ （T3+T損＝1262+30＝1292℃），操作溫度下限為1266℃ （T25+T損＝1236+30＝1266℃），操作區(qū)間僅26℃ （不足30℃），即M1煤氣化溫度調(diào)整區(qū)間較小，操作難度較大。

我公司M2煤的粘溫特性曲線如圖3所示，其灰熔融性溫度 （FT）是1150℃，按照氣化爐正常操作溫度一般高于煤灰熔點(diǎn)50～100℃的說法，M2煤的操作溫度應(yīng)該為1200～1250℃；但由圖3可清楚地看出，M2煤T25對應(yīng)的溫度為1280℃，T3對應(yīng)的溫度為1409℃，可以計(jì)算得到M2煤的氣化操作溫度上限為1439℃ （T3+T損＝1409+30＝1439℃），操作溫度下限為1310℃ （T25+T損＝1280+30＝1310℃）。但考慮到T3較高，已超過1400℃，故取M2煤的氣化操作溫度上限為1360℃，操作溫度下限為1310℃，此時(shí)操作區(qū)間約50℃，即M2煤比較適合于水煤漿氣化爐液態(tài)排渣，操作彈性較大。

圖2 M1煤的粘溫特性曲線

圖3 M2煤的粘溫特性曲線

4 結(jié)束語

兗礦新疆煤化工有限公司據(jù)新疆煤的煤質(zhì)特性，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，剖析堵渣原因，認(rèn)為氣化爐堵渣與否與灰渣粘度有直接的關(guān)系，故以煤灰粘溫特性作為原料煤選煤依據(jù)和氣化爐操作溫度指征，同時(shí)考慮煤的灰熔點(diǎn)、灰分、揮發(fā)分、內(nèi)水含量等指標(biāo)及其成漿性，逐漸摸索出適合多噴嘴水煤漿氣化爐的煤種及配煤比例，嚴(yán)格把控原料煤煤質(zhì)，合理確定氣化爐操作溫度及操作彈性范圍，并優(yōu)化氣化裝置及后系統(tǒng)操作，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效、長周期運(yùn)行。