水分對煤氣化的影響分析及對策

楊曉勤

(新疆宜化化工有限公司, 新疆昌吉 831700)

煤氣化作為一個重要的工藝過程，在煤的清潔高效利用上，具有不可替代的作用；而煤中所含水分，對煤氣化會產(chǎn)生非常顯著的影響。

新疆宜化化工有限公司(簡稱新疆宜化)位于新疆準東國家級經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，2018年10月開工建設(shè)3臺中國科學(xué)院工程熱物理研究所開發(fā)的投煤量為750 t/d的富氧循環(huán)流化床氣化爐。2020年9月6日氣化爐點火投運，以新疆準東五彩灣儲量豐富、成漿性差、黏溫特性不理想、高鈉鉀含量的不粘煤為原料，為40萬t合成氨、60萬t尿素的升級改造作為氣頭平衡配套，實現(xiàn)了穩(wěn)定供氣。但在運行過程中，發(fā)現(xiàn)煤氣成分、耗煤質(zhì)量、耗氧體積、粉煤灰產(chǎn)生量，均偏離設(shè)計較多，筆者試著從水分的影響方面來加以分析。

1 設(shè)計和運行情況

所用煤種分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 煤種分析數(shù)據(jù)

設(shè)計用煤粒度為0～10 mm、1 000 m3有效氣(CO+H2)煤耗為776 kg、氧耗為177 m3、產(chǎn)粉煤灰質(zhì)量為77.8 kg。單爐產(chǎn)有效氣(CO+H2)體積流量為40 000 m3/h，干基氣體成分見表2。

表2 設(shè)計干基氣體成分

實際運行用煤粒度為20～40 mm、比煤耗為1 170 kg/km3、比氧耗為216 m3/km3、產(chǎn)粉煤灰質(zhì)量為173.3 kg/km3。單爐產(chǎn)有效氣體積流量為36 057 m3/h，最佳干基氣體成分見表3。

表3 運行最佳干基氣體成分

由表2、表3可見，實際運行值與設(shè)計值存在較大的偏差。分析原因，主要是進爐煤的水分產(chǎn)生了較大的影響。

2 水分對熱平衡的影響

煤中所含水分在常溫下(如25 ℃)入爐，要達到945 ℃的反應(yīng)溫度，需要吸收熱量。

查得25 ℃水的焓為104.84 kJ/kg，945 ℃反應(yīng)溫度下蒸汽的焓為4 507.20 kJ/kg，進入氣化爐的水達到反應(yīng)溫度需吸收熱量4 402.36 kJ/kg。

如采取粉煤加壓氣化通用的做法，即將入爐煤含水率(質(zhì)量分數(shù)，下同)降到2%以下[1]，以實際噸氨煤耗2.515 t計，噸氨可減少入爐水分0.508 t，噸氨減少水分吸熱量2 237 MJ。以理想狀況計算，這部分熱量靠碳與氧反應(yīng)生成二氧化碳放出來[2]：

(1)

根據(jù)式(1)，消耗1 m3氧氣，產(chǎn)生熱量17.594 MJ。則當(dāng)入爐煤水分質(zhì)量分數(shù)從21.8%降到2%時，噸氨少耗氧127 m3，折比氧耗59 m3/km3，實際的比氧耗可達到157 m3/km3，將優(yōu)于設(shè)計值。

同樣的，消耗1 kg碳，產(chǎn)生熱量32.84 MJ。則當(dāng)入爐煤水分質(zhì)量分數(shù)從21.8%降到2%時，噸氨少耗碳68.12 kg，原料煤含碳質(zhì)量分數(shù)為57%，則噸氨煤耗質(zhì)量可降低120 kg。

3 水分對煤粉化率的影響

含水的煤進入氣化爐，因水汽化，將發(fā)生劇烈膨脹，使煤在瞬間爆裂，影響熱穩(wěn)定性，并大幅增加粉化率，增加粉煤灰的后帶，增加煤耗和粉煤灰處理難度。

1 kg水汽化為蒸汽的體積為1.244 m3。新疆宜化所在區(qū)域大氣壓力為92 kPa，氣化爐反應(yīng)壓力為23 kPa，在945 ℃下，1 kg水汽化為蒸汽的體積為4.89 m3。

所用原料煤的堆密度為0.85 t/m3。單爐進煤質(zhì)量流量為42.2 t/h，即11.7 kg/s,折體積流量為0.013 8 m3/s。

帶水質(zhì)量流量為9.2 t/h，即2.554 kg/s，折體積流量為12.489 m3/s。

這就是說，含水率為21.8%的煤，在進入945 ℃爐溫的氣化爐后，在1 s內(nèi)體積膨脹905倍，使煤瞬間爆裂，產(chǎn)生大量細煤粉，隨氣流帶入后工序。在除塵單元細煤粉被分離出來，大大增加了除塵和輸灰的難度，同時也大幅增加了耗煤質(zhì)量。因為這部分高溫煤灰?guī)?，又反過來需要碳和氧反應(yīng)補充熱量，增加耗煤質(zhì)量和耗氧體積。

為了對這一計算進行驗證，新疆宜化安排分化中心人員對粒度為50 mm的原料煤在50 ℃、80 ℃、100 ℃、120 ℃、150 ℃烘箱內(nèi)烘干和進850 ℃馬弗爐的情況進行了實驗。結(jié)果顯示，在150 ℃以下的溫度下烘干水分，煤的形態(tài)沒有發(fā)生改變，而在850 ℃的馬弗爐內(nèi)，煤瞬間產(chǎn)生了大量裂紋。見圖1～4。

圖1 150 ℃烘干前原煤

圖2 150 ℃烘干后煤的形態(tài)

圖3 850 ℃烘干前原煤

圖4 850 ℃烘干后煤的形態(tài)

若粉煤灰后帶量降低到設(shè)計值，則噸氨耗煤質(zhì)量將下降205 kg。205 kg高溫帶灰，取比熱容為0.92kJ/(kg·K)[3]，則噸氨帶走熱量173.5 MJ。

這部分熱量使噸氨多耗氧體積10 m3，折比氧耗4.6 m3/km3。噸氨多耗碳5.3 kg，噸氨多耗煤質(zhì)量9.3 kg。

總體來說，降低粉化率可使噸氨降低耗氧體積10 m3、降低耗煤質(zhì)量214 kg。

4 原煤預(yù)烘干辦法

將原料煤預(yù)烘干，有不少的辦法[4]，如滾筒干燥機、管式干燥機、灑落式干燥機、螺旋干燥機、干燥磨煤機等。

對于褐煤、次煙煤等煤種，澤瑪克(ZEMAG)的蒸汽管式干燥機具有較好的效果。

如果能將原煤水分質(zhì)量分數(shù)從21.8%預(yù)烘干到2%，則噸氨可降低入爐原煤帶水質(zhì)量508 kg，降低入爐耗煤質(zhì)量。

5 結(jié)語

煤中的水分能從熱平衡、煤粉化率(熱穩(wěn)定性)、物料平衡3個方面對煤氣化產(chǎn)生很大的影響，新疆宜化采用富氧循環(huán)流化床工藝對新疆準東五彩灣不粘煤成功實施了煤氣化，但入爐21.8%的原煤水分，使氣化結(jié)果偏離了設(shè)計值。

如果能采取預(yù)干燥措施，降低入爐煤中的水分質(zhì)量分數(shù)至2%，經(jīng)理論分析和計算，噸氨熱平衡降低耗煤質(zhì)量120 kg、降低耗氧體積127 m3，粉化率(熱穩(wěn)定性)降低耗煤質(zhì)量214 kg、降低耗氧體積10 m3，物料平衡降低耗煤質(zhì)量508 kg，總體噸氨降低耗煤質(zhì)量842 kg、降低耗氧體積137 m3?？墒贡让汉慕档偷?78 kg/km3、比氧耗降低到152 m3/km3。因此，可選擇澤瑪克(ZEMAG)的管式干燥機對準東五彩灣的不粘煤實施預(yù)干燥，然后再進行煤氣化。