航天爐全燒高硫、高灰分、高灰熔點劣質無煙煤的研究

孔麗麗

(山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司 天溪煤制油分公司，山西 晉城 048009)

無煙煤一直是優(yōu)質的煤化工原料，晉煤集團的煤炭資源絕大部分為無煙煤。然而，近年來由于氣化技術的創(chuàng)新和發(fā)展，無煙煤作為煤化工用煤的優(yōu)質煤種的優(yōu)勢逐漸被削弱[1]，特別是粉煤氣化技術取得的重大進展，使得無煙煤作為化工用煤的市場進一步被壓縮。無煙煤由于其機械強度高、變質程度高、反應活性差等特點，在新型煤氣化領域與其他煤種的競爭中處于劣勢。晉煤集團天溪煤制油分公司(簡稱天溪公司)航天爐全燒高硫、高灰分、高灰熔點(“三高”)劣質無煙煤研究項目就是為晉煤集團無煙煤煤種在新型煤氣化領域的應用開辟一條道路。

晉煤集團擁有豐富的煤炭資源，是我國主要的優(yōu)質無煙煤生產(chǎn)基地。但是經(jīng)過六十多年的開采，一些礦區(qū)的優(yōu)質無煙煤已近枯竭，余下大部分可采煤種均為“三高”煤。目前，晉城地區(qū)“三高”煤可采儲量約占總可開采儲量的40%。因此，如何合理利用余煤，將劣質煤資源化成為了晉煤集團重要的研究課題。

天溪公司航天爐全燒“三高”劣質無煙煤研究項目依托2013年晉煤集團啟動的天溪公司造氣工藝技術改造項目，用兩臺φ3.2 m的航天爐替代天溪公司原有的7 臺灰熔聚流化床氣化爐。同時，對變換系統(tǒng)、低甲系統(tǒng)、空分系統(tǒng)及公用工程進行相應的配套改造[2-4]。改造后航天爐裝置日處理煤量1 600 t，甲醇產(chǎn)量35萬t/a，裝置年運行周期330 d。該項目于2012年12月開工建設，2014 年8月31日基本完工，9月24日第一臺航天爐正式投料試車運行，10月24日第二臺航天爐投料運行，甲醇系統(tǒng)開車運行。目前系統(tǒng)已達到設計產(chǎn)能，航天爐系統(tǒng)已實現(xiàn)長周期穩(wěn)定運行，已自主進行航天爐系統(tǒng)全燒“三高”煤的針對性改造四十余項，進一步提高了裝置產(chǎn)能，延長了氣化爐的運行周期，降低了裝置消耗。

1 航天爐全燒“三高”劣質無煙煤研究項目的優(yōu)化設計

航天爐全燒“三高”劣質無煙煤研究項目的設計煤種選取晉煤集團鳳凰山礦15號無煙煤。該煤種為典型的“三高”無煙煤，屬國家環(huán)保限采煤種，其典型的特征值見表1。

表1 鳳凰山礦15號無煙煤煤質分析數(shù)據(jù)

航天爐氣化技術采用典型的粉煤頂噴，氣渣并流，煤氣激冷流程，具有新型粉煤氣化技術的普遍性[5]。但國內目前在運行的航天爐基本采用褐煤或煙煤作為原料，即使使用無煙煤，也僅僅小比例與褐煤或煙煤進行摻燒。部分企業(yè)也進行過全燒無煙煤的試驗，但效果均不理想，不能實現(xiàn)穩(wěn)定運行。

天溪項目的航天爐裝置針對“三高”無煙煤的煤質特性，對氣化系統(tǒng)進行了以下針對性改造：

(1)優(yōu)化了粉煤燒嘴的流場和氣化爐的長徑比，使得物料返混更充分；

(2)擴大了氣化爐渣口，以應對“三高”無煙煤較高的灰熔點，保證排渣順暢；

(3)放大了排渣及灰水系統(tǒng)部分尺寸，以應對“三高”無煙煤較高的灰分；

(4)自主優(yōu)化改造易磨損泄漏的部位，大大提高了關鍵設備、管道的運行周期；

(5)對工藝運行參數(shù)進行大量針對性的調整，建立數(shù)據(jù)對比分析系統(tǒng)，生產(chǎn)消耗明顯降低。

1.1 初始掛渣

航天爐采用水冷壁結構，采用以渣抗渣的方式保護水冷壁盤管[6]。航天爐初始開車時，為保證水冷壁在裸壁狀態(tài)下不損壞，均采用灰熔點較低的褐煤進行原始掛渣。天溪航天爐裝置在試車投運前，設計院提供的方案及意見也是采用褐煤進行初始掛渣，初始掛渣結束后再轉為使用“三高”無煙煤進行生產(chǎn)運行。

針對其他裝置的運行工狀，并對大量煤種進行了采樣，通過煤質分析比對(晉煤集團的內部煤種以及部分褐煤煤種)，分析判斷如按設計院的方案進行初始掛渣將在投產(chǎn)運行后面臨逐步替換渣層的困難，而且周期比較長，會直接影響到以后天溪航天爐裝置的長周期穩(wěn)定運行。經(jīng)過多方的數(shù)據(jù)論證，對其他航天爐裝置進行了大量調研，決定采用運行煤種——鳳礦高硫末煤進行初始掛渣。由于沒有使用無煙煤初始掛渣的運行經(jīng)驗，對各環(huán)節(jié)進行了充分的事故預想，自行制定了詳實的無煙煤初始掛渣方案。

2014年9月24日，天溪裝置的航天爐國內首次采用無煙煤進行初始掛渣一次投料掛渣成功。又針對第一臺航天爐掛渣密實度不是很理想的狀況，對第二臺航天爐的初始掛渣方案進行了調整優(yōu)化，10月24日第二臺航天爐采用高硫無煙煤初始掛渣成功。至2020年，兩臺氣化爐已運行近6年，主盤管狀況良好，爐膛溫度平穩(wěn)，爐膛打開觀測到渣層平滑密實，掛渣狀況良好。

1.2 磨煤系統(tǒng)

粉煤加壓氣化技術均需要微米級的粉煤作為原料，而由于無煙煤機械硬度比較高，磨煤系統(tǒng)的運行壓力很高，其余裝置在磨無煙煤時粉煤粒徑長期不達標。航天爐對粉煤粒徑的要求是5～90 μm占比不小于90%。

表2為代表國內已運行的航天爐裝置的典型工況的某航天爐裝置的煤種及可磨性指數(shù)、粒徑指標分布關系。

粉煤粒徑指標直接影響到入爐粉煤的比表面積，而比表面積的大小又直接決定了氣化效率的高低[7]。然而，國內的磨煤系統(tǒng)在磨哈氏可磨性指數(shù)較低的無煙煤時指標迅速下降，且磨機故障率較高，出力明顯降低。

天溪公司采用的煤種為哈氏可磨性指數(shù)僅為42的典型無煙煤(由于“三高”無煙煤較高的灰分，導致其可磨性指數(shù)在無煙煤中也是最低的[1]，即最難研磨的煤種)，在運行之初也面臨與其他裝置的類似問題。經(jīng)過對運行過程的研究，不斷調整運行參數(shù)，實現(xiàn)磨煤系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，在保證磨機設計出力的情況下使5～90 μm的粉煤占比穩(wěn)定至75%以上。

主要的設備改造、運行參數(shù)調整如下：

(1)將磨機運行時的磨輥加載力提升至9.0～10.0 MPa；

(2)降低磨機運行時的磨盤床層高度，將磨機壓差控制至4～5 kPa；

(3)提升磨機出口旋轉分離器轉速，控制在設計轉的80%以上；

(4)降低磨機運行時的循環(huán)風量，風量控制在設計風量的60%；

(5)進一步提升磨機系統(tǒng)運行時的真空度，控制磨煤系統(tǒng)壓力在-4～-6 kPa；

(6)保證磨機系統(tǒng)惰性氣體的足量排放，運行時惰氣排放閥閥位開至100%；

(7)強化石子煤排放的規(guī)范管理，不僅保證了石子煤的及時排出，同時還不會因頻繁排放破壞磨機系統(tǒng)的運行；

(8)對磨煤機的密封系統(tǒng)進行改造，確保石子煤不對密封組件造成磨損，延長磨機運行周期。

1.3 氣化系統(tǒng)

全燒無煙煤時面臨的主要問題如下：① 爐膛渣層不穩(wěn)定，爐膛溫度波動大，嚴重時造成破渣機堵塞而跳車；② 主盤管密度波動大，嚴重時能降至安全密度(400 kg/m3)以下；③ 渣口壓差波動大，嚴重時造成渣口堵塞；④ 氣化反應不穩(wěn)定，氣化爐壓力波動大，產(chǎn)氣量波動大。

天溪航天爐裝置充分吸取其他航天爐裝置運行的經(jīng)驗，對大量運行數(shù)據(jù)進行比對分析，對運行思路進行了如下調整：

(1)確保粉煤的供給灰熔點穩(wěn)定，保證石灰石的摻配比例，對入爐粉煤的灰熔點進行長期持續(xù)檢測，以掌握爐況變化的原因；

(2)保證三條粉煤給料管線均勻給料，最大程度地降低物料流場的人為因素影響，保證爐內的流場穩(wěn)定；

(3)確保爐內反應溫度達到灰渣的熔融溫度，在設備條件允許的情況下盡可能提升爐內的反應溫度，保證排渣順暢；

天溪航天爐裝置在確定的調整思路下，持續(xù)對航天爐的運行進行優(yōu)化。自開車運行以來，爐況優(yōu)化一直在持續(xù)進行，爐況得到了很大改善，實現(xiàn)了裝置的平穩(wěn)高效運行。已基本確定的運行參數(shù)：

(1)提升運行氧煤比，逐步將氧煤比提升至0.90～0.95，確保了爐內的反應溫度；

(2)嚴格控制合成氣組分中的CH4含量，控制CH4體積分數(shù)50～100 μL/L；

(3)保證主盤管運行安全，確定主盤管密度不小于450 kg/m3；

(4)為進一步保證設備安全，將汽包循環(huán)水系統(tǒng)總循環(huán)量提升至640 m3/h；

(5)嚴格控制三條煤線均勻給煤，給煤最大量差值必須不大于500 kg/h。

1.4 渣水系統(tǒng)

氣化爐的渣水系統(tǒng)為濁環(huán)系統(tǒng)，水質的性質直接由運行煤質以及氣化反應的程度所決定。天溪項目由于氣化反應程度高，灰水指標要整體優(yōu)于其他裝置。由于運行煤種的特殊性，渣水系統(tǒng)一直處于弱酸性，渣水系統(tǒng)運行相對平穩(wěn)，但由于入爐煤中的灰分很高(是其他運行煤種的2～3倍)，長周期運行受到一定限制。針對以上問題進行了系統(tǒng)優(yōu)化。

(1)系統(tǒng)水呈弱酸性，pH最低下降至5.5，呈腐蝕傾向，判斷為兩級閃蒸的閃蒸能力不足所造成。對高閃閃蒸槽進行了改造，擴大了布水板孔眼的孔隙，同時調整高閃內部去真閃回水管在設備內的距離，對影響閃蒸效果的運行指標進行了優(yōu)化調整，對閃蒸放空系統(tǒng)進行了優(yōu)化改造。同時，通過在氣化爐激冷室內部的排水管線增加汽/水分離裝置，減少進入閃蒸系統(tǒng)的煤氣夾帶量，降低閃蒸系統(tǒng)的負荷。通過改造，增強了兩級閃蒸的閃蒸效率，降低了灰水中的酸度，將pH控制在6.5～7.0。

(2)對灰水進行了全面的腐蝕測定、分析，確定了pH控制的目標值為6.5～7.0，經(jīng)分析，該目標值下的腐蝕率0.21 mm/a。通過與藥劑供應商探討，及時調整弱酸性結垢下分散劑的成分，有效地將腐蝕率控制在0.135 mm/a。通過對pH、腐蝕率的綜合調整，開車運行18個月實驗結果表明，沉降槽2塊碳鋼掛片表面無腐蝕結垢現(xiàn)象，掛片重量無明顯變化。

(3)為解決渣水系統(tǒng)固體含量高導致部分設備、管道中煤泥堵塞嚴重的問題，首先通過運行管理調整進行解決。提高了激冷水循環(huán)量(提升至設計值的130 %)，對易堵部位建立了完善的運行監(jiān)控機制，及時通過負荷調整消除堵塞現(xiàn)象。同時，對易磨損部位進行了材料研究，使用新型材料替代原設計的材料。此外，通過與專利提供商的合作，開始著手對渣水系統(tǒng)進行流程的優(yōu)化設計，從根本上解決渣水系統(tǒng)固體含量高的問題。上述主要措施的實施，大大提高了渣水系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，基本杜絕了由于渣水系統(tǒng)造成的氣化爐停車，提升了氣化爐的運行周期。

經(jīng)過上述技術優(yōu)化，灰水系統(tǒng)排水量降到遠低于設計值。設計值為83 t/h(兩臺爐運行)，實際外排污水量(系統(tǒng)內其他冷凝液不計入)為60 t/h。

1.5 節(jié)能降耗技術創(chuàng)新

天溪公司航天爐裝置運行以來，通過一系列的研究，已完成了下列技術創(chuàng)新：

(1)將高閃閃蒸汽(原設計為火炬排放)回收至磨煤系統(tǒng)燃燒。降低了煤層氣的使用量，磨煤成本下降1.4 元/t。

(2)將系統(tǒng)伴熱冷凝液、汽包排污水回收至渣水系統(tǒng)除氧器，降低了除氧器的蒸汽使用量，減少低壓蒸汽使用量2 t/h。

(3)將氣化爐副產(chǎn)蒸汽減壓回收至裝置的低壓蒸汽管網(wǎng)(原設計回收至中壓蒸汽管網(wǎng)，由于副產(chǎn)蒸汽的飽和度不夠，只能現(xiàn)場放空)，降低了低壓蒸汽使用量5 t/h。

1.6 環(huán)保措施

(1)對裝置內的5臺粉煤袋式過濾器進行結構改造，同時對粉煤的泄壓放空進行相應改造。改造后極大地降低了布袋的損壞率，現(xiàn)場放空粉塵含量明顯降低，杜絕了放空氣冒黑煙現(xiàn)象。

(2)對濕渣的排放運輸進行改造，增設高頻脫水篩，撈渣機撈出的濕渣水分從50%降低至15%，極大地改善了現(xiàn)場環(huán)境，在濕渣的運輸過程中基本沒有黑水和灰渣外流，提高了運輸過程中的穩(wěn)定性和清潔性。

2 結果與討論

天溪全燒“三高”劣質無煙煤的航天爐裝置通過運行技術的不斷優(yōu)化調整，在技術穩(wěn)定性上與國內其他成熟的氣流床氣化技術相當，裝置整體運行穩(wěn)定，以下運行參數(shù)要優(yōu)于其他裝置。

(1)磨煤系統(tǒng)的整體運行狀況要優(yōu)于國內同等規(guī)模裝置。該系統(tǒng)設備選型、工藝運行參數(shù)均對可磨系數(shù)很低的無煙煤做了充分準備，粉煤粒徑指標在綜合考慮可磨性指數(shù)的情況下，在國內處于領先水平。

(2)氣化系統(tǒng)與國內其他氣流床技術相當，自動化程度高，爐況穩(wěn)定可靠，受“三高”煤特性影響，在氧耗、原煤耗等指標上要高于其他氣流床氣化裝置，但是由于“三高”煤價格低廉，其綜合的經(jīng)濟效益仍略優(yōu)于其他氣化裝置。主要技術指標對比見表3。

表3 天溪裝置與其他航天爐裝置的主要技術指標對比

(3)渣水系統(tǒng)的整體運行狀況均要優(yōu)于采用激冷流程的氣流床氣化裝置。從表4中各項水質關鍵指標的分析對比[8]可以看出，天溪裝置的各項水質指標在國內均處于領先水平，而且由于煤質特性所決定的，使得整個渣水系統(tǒng)為弱酸性，通過良好的水質管控，不但使得系統(tǒng)幾乎不存在腐蝕現(xiàn)象，而且有效地抑制了系統(tǒng)的結垢速率。

表4 天溪裝置與其他航天爐裝置的主要水質指標對比

綜上所述，天溪公司的航天爐全燒“三高”劣質無煙煤項目取得了很大的技術進步，在國內的氣流床氣化技術中處于領先水平，具有很好的劣質煤潔凈化利用的示范意義。

3 結 語

天溪公司航天爐裝置在無煙煤的氣化利用上實現(xiàn)了穩(wěn)定高效運行，在國內的航天爐裝置尚屬首次，在國內的氣流床裝置也處于領先水平，而且天溪裝置使用“三高”劣質煤，不僅為晉煤集團的無煙煤潔凈化利用找到了出路，而且為山西省乃至全國的劣質煤潔凈化利用起到了很好的示范作用。

現(xiàn)階段由于煤炭消費帶來的環(huán)境污染的壓力越來越大[9]，國家對環(huán)保的要求也越來越嚴格，因此煤炭消費必須走潔凈化利用的道路。當前的氣流床裝置多半采用褐煤。褐煤由于其高揮發(fā)分和良好的反應活性一直被視為最合適的氣流床氣化技術煤種，但使用褐煤的氣流床氣化技術的渣水系統(tǒng)結垢嚴重[10]，幾乎所有裝置的外排水量均要高于設計值才能保證系統(tǒng)的正常運行。而無煙煤的煤質特性決定了其渣水系統(tǒng)的水質特征，在日趨嚴峻的環(huán)保形勢下，無煙煤能成為替代褐煤作為氣流床氣化技術煤種的良好選擇。