煤質(zhì)變化對(duì)水煤漿氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行的影響探析

杜小剛，馬耀東，孫尚龍，楊曉民，李小軍

(甘肅華亭煤電股份有限公司煤制甲醇分公司，甘肅 華亭 744100)

1 水煤漿氣化爐水工藝流程

如圖1所示，本裝置由甘肅華亭煤電股份有限公司煤制甲醇分公司(以下簡(jiǎn)稱“我公司”)采用西北化工研究院的多元料漿氣化專利技術(shù)研制。其生產(chǎn)方法是將原料煤與水在濕式棒磨機(jī)中研磨成濃度為60%～63%的水煤漿，用泵加壓后送入氣化爐，與空分裝置來的氧氣混合，在加壓的情況下，煤中的碳被部分氧化，生成CO、H2、CO2和H2O以及其他如：H2S、CH4等氣體，經(jīng)激冷室水浴降溫洗滌后送至文丘里洗滌器、碳洗塔進(jìn)一步洗滌除塵后，粗煤氣送往變換工段[1]。

圖1 水煤漿氣化爐水工藝流程

2 原料煤煤質(zhì)變化對(duì)氣化爐運(yùn)行影響

2.1 原料煤中水分含量對(duì)氣化爐運(yùn)行的影響

原料煤中的水分由兩部分組成，稱之為外水和內(nèi)水。外水含量的高低，直接影響到水煤漿的制備過程，很難控制穩(wěn)定的水煤比，煤漿濃度波動(dòng)性大。煤的內(nèi)水是煤的結(jié)合水，其含量的高低直接影響到水煤漿的成漿性能。在生產(chǎn)過程中，常把兩者的總和稱之為全水，并作為調(diào)整水煤漿制備過程中水煤比的關(guān)鍵參考指標(biāo)。原料煤中全水過高，將導(dǎo)致氣化工段煤倉(cāng)原料煤極易出現(xiàn)架橋現(xiàn)象，原料煤由于架橋不能及時(shí)進(jìn)入磨煤機(jī)，水煤漿濃度勢(shì)必會(huì)下降，低濃度的水煤漿在氣化爐內(nèi)反應(yīng)時(shí)消耗部分氧氣并帶走大量的熱量，以致氣化爐產(chǎn)工藝氣量不足，同時(shí)還會(huì)存在過氧的可能性，這使得氣化爐運(yùn)行存在極大的安全隱患[2]。

2.2 原料煤中灰分含量對(duì)氣化爐運(yùn)行的影響

(1)原料煤灰分高，導(dǎo)致氣化工段氣化爐頻繁減負(fù)荷，氣化爐操作溫度過高。根據(jù)多元料漿氣化工藝設(shè)計(jì)，氣化爐熔渣以液態(tài)形式進(jìn)行排渣。原煤灰分高，則在單位時(shí)間內(nèi)通過氣化爐渣口的灰渣量相應(yīng)增大，為了確保氣化爐運(yùn)行工況的穩(wěn)定，氣化工段一方面必須在原煤灰分過高的情況下，對(duì)氣化爐進(jìn)行減負(fù)荷操作，另一方面必須提高氣化爐操作溫度以改善熔渣粘溫特性，確保氣化爐液態(tài)排渣順暢。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我公司2016年5月29日至6月12日，氣化爐因原料煤灰分含量高減負(fù)荷操作次數(shù)高達(dá)52次，其中氣化爐負(fù)荷減至最低負(fù)荷(氣化爐投煤漿量55 m3/h)高達(dá)3次，影響精甲醇產(chǎn)量約1 200 t。為了改善熔渣粘溫特性，避免爐壁嚴(yán)重掛渣及渣口堵塞等異常工況發(fā)生，2016年5月底，氣化爐最高操作溫度達(dá)到了1 380 ℃。

(2)原料煤灰分高，導(dǎo)致氣化爐渣口堵塞。原煤灰分高，在氣化爐負(fù)荷一定的情況下單位時(shí)間內(nèi)通過渣口的灰渣量相應(yīng)增大，這使得氣化爐渣口極易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，渣口一旦堵塞，渣口壓差偏高，不僅會(huì)造成氣化爐爐壁及燒嘴法蘭超溫，而且會(huì)造成工藝氣組分大幅波動(dòng)，尤其是存在工藝氣指標(biāo)間歇性波動(dòng)(H2含量在31%～36%之間波動(dòng)；CO含量在38%～49%之間波動(dòng))的現(xiàn)象，因此加大了后續(xù)合成裝置的工藝調(diào)整難度[3]。

(3)原料煤灰分高，導(dǎo)致氣化工段設(shè)備故障率頻發(fā)，設(shè)備使用壽命縮短。原料煤灰分高勢(shì)必造成氣化灰渣量增多，氣化黑水及灰水中固含量增多，這不僅會(huì)導(dǎo)致黑水、灰水系統(tǒng)管道、閥門、設(shè)備的磨損率大大增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞管道導(dǎo)致氣化爐停車，而且使氣化爐粗渣排放系統(tǒng)設(shè)備的故障率明顯增加，尤其表現(xiàn)在氣化工段撈渣機(jī)故障率高。自5月29日至6月12日因氣化爐粗渣量過大，氣化工段撈渣機(jī)故障次數(shù)就高達(dá)5次，撈渣機(jī)電流出現(xiàn)高報(bào)警次數(shù)高達(dá)50余次。

另外，原煤灰分高會(huì)降低氣化爐爐磚的使用周期。原料煤灰分高，工藝需提溫操作以保證渣口通暢，由于氣化爐操作溫度的提高，高溫熔渣和氣體加劇了對(duì)氣化爐燃燒室向火面耐火磚的沖刷和磨損，從而大大降低了耐火磚的使用壽命，氣化爐操作溫度每提高100 ℃，耐火磚的磨蝕速率就會(huì)增加兩倍。

(4)原料煤灰分高，增加氣化反應(yīng)的氧耗、煤耗?；曳蛛m然在煤氣化時(shí)不參與反應(yīng)，但是要消耗煤在氧化反應(yīng)中所產(chǎn)生的反應(yīng)熱，使灰分升溫、熔化、轉(zhuǎn)化，基于 AspenPlus軟件，我們對(duì)多元料漿氣化爐進(jìn)行了模擬，模擬過程保持進(jìn)入氣化爐水煤漿濃度為61%，水煤漿進(jìn)料溫度為50 ℃，氧氣溫度為25 ℃，氣化爐爐膛溫度恒定為1 300 ℃，對(duì)1 000 kg干基煤中灰分增加，分析每千標(biāo)方有效氣(H2+CO)的氧耗趨勢(shì)，經(jīng)分析得出原煤灰分每提高1%，比氧耗約增加0.7%。

(5)原料煤灰分高，氣化工段產(chǎn)氣量減少，影響氣化轉(zhuǎn)化率。由于原料煤中灰分的增大，對(duì)氣態(tài)反應(yīng)物及反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散速度、熱量傳遞產(chǎn)生的很大程度的影響，在一定程度上阻礙了原料煤固體表面及內(nèi)部固定碳?xì)饣磻?yīng)的進(jìn)行，造成氣化爐所生成的工藝氣量減少，氣化轉(zhuǎn)化率降低。原料煤灰分與有效氣含量之間關(guān)系如表1所示。

表1 氣化原料煤灰分與有效氣含量的關(guān)系圖

基于 AspenPlus軟件，我們對(duì)多元料漿氣化爐進(jìn)行了模擬，模擬過程保持進(jìn)入氣化爐水煤漿濃度為61%，水煤漿進(jìn)料溫度為50 ℃，氧氣溫度為25 ℃，氣化爐爐膛溫度恒定為1 300 ℃，對(duì)1 000 kg干基煤中灰分增加，分析每千標(biāo)方有效氣(H2+CO)含量如圖2所示，經(jīng)分析得出原煤灰分每提高1%，有效氣含量約減小18.75 kmol。

圖2 氣化原料煤灰分與有效氣含量趨勢(shì)圖

2.3 原料煤灰熔點(diǎn)高對(duì)氣化爐運(yùn)行的影響

原料煤中所含灰分的熔融性稱之為灰熔點(diǎn)，是氣化爐運(yùn)行爐溫調(diào)整的關(guān)鍵性指標(biāo)，直接影響到氣化爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在日常生產(chǎn)過程中，我公司將熔融態(tài)下的灰熔點(diǎn)(T4溫度)作為參考指標(biāo)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析調(diào)整運(yùn)行氣化爐氧煤比，以防止?fàn)t溫控制不及時(shí)而造成的渣口堵塞或爐壁超溫現(xiàn)象導(dǎo)致氣化爐非計(jì)劃性停車事故的發(fā)生[4]。

2.4 原料煤灰分對(duì)粗渣量、細(xì)渣量及渣中總殘?zhí)剂康挠绊?/h3>

基于 AspenPlus軟件，我們對(duì)多元料漿氣化爐進(jìn)行了模擬，粗渣含碳量按照5%(設(shè)計(jì)值)計(jì)算，細(xì)渣含碳量按照25%(設(shè)計(jì)值)計(jì)算，根據(jù)多元料漿工藝提供數(shù)據(jù)，粗渣量與細(xì)渣量按照4.97∶1計(jì)算，對(duì)1 000 kg干基煤中灰分增加，對(duì)氣化爐產(chǎn)生的粗渣量、細(xì)渣量及渣中殘?zhí)剂康淖兓厔?shì)進(jìn)行了分析，如圖3所示，經(jīng)分析得出原料煤灰分每增加1%，粗渣量約增加10.525 kg，細(xì)渣量約增加2.12 kg，渣中總殘?zhí)剂考s增加1.055 kg。

圖3 煤的灰分與渣中總殘?zhí)剂口厔?shì)圖

3 結(jié)語

綜上所述，原料煤中的水分、灰分含量的高低，直接影響氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行。原料煤灰分每提高1%，比氧耗約增加0.7%，有效氣含量約減小18.75 kmol，粗渣量約增加10.525 kg，細(xì)渣量約增加2.12 kg，渣中總殘?zhí)剂考s增加1.055 kg，而且氣化爐爐磚的使用壽命降低；其次是原料煤中所含灰分的灰熔點(diǎn)直接影響到氣化爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行，通過分析原料煤灰熔融態(tài)溫度，及時(shí)調(diào)整氣化爐爐溫，是控制氣化爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵[5]。