新疆準(zhǔn)東煤煤質(zhì)特性及其氣化工藝選型的認(rèn)識

宋玉國

（兗礦新疆煤化工有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

0 引 言

新疆準(zhǔn)東煤田煤炭資源豐富，近10a來，國家將準(zhǔn)東煤電煤化工基地定位為國家循環(huán)化改造示范試點園區(qū)、國家現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)示范區(qū)、電力體制改革示范區(qū)，重點發(fā)展煤炭、煤電、現(xiàn)代煤化工、煤電冶、新材料、新能源六大產(chǎn)業(yè)。迄今入駐園區(qū)規(guī)模以上企業(yè)29家，主要產(chǎn)業(yè)以熱電聯(lián)產(chǎn)、電解鋁為主；園區(qū)內(nèi)的煤化工規(guī)模企業(yè)僅有新疆宜化化工有限公司和新疆國泰新華化工有限責(zé)任公司2家。

兗礦新疆煤化工有限公司（簡稱兗礦新疆煤化）600kt／a醇氨聯(lián)產(chǎn)項目之氣化裝置以準(zhǔn)東礦區(qū)某采區(qū)煤為原料、采用具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝生產(chǎn)合成氣，項目自投產(chǎn)以來，因?qū)?zhǔn)東煤的煤質(zhì)特性認(rèn)識不足，再加上煤質(zhì)變化大，所用原料煤灰熔點不穩(wěn)定，造成氣化爐在運行過程中反復(fù)出現(xiàn)渣堵、下降管燒穿、爐壁超溫等問題，導(dǎo)致氣化裝置開停車頻繁，生產(chǎn)成本大幅提高。以下對兗礦新疆煤化多噴嘴水煤漿氣化爐運行中存在的問題進(jìn)行分析與研究，并結(jié)合準(zhǔn)東煤煤質(zhì)特性對在役氣化裝置運行優(yōu)化以及新建氣化裝置工藝技術(shù)路線選型等提出一些建議。

1 準(zhǔn)東煤煤質(zhì)特性

兗礦新疆煤化醇氨聯(lián)產(chǎn)項目氣化裝置所用的準(zhǔn)東礦區(qū)某采區(qū)原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1?？梢钥闯觯簻?zhǔn)東煤具有高水分、低灰分、低硫分、中揮發(fā)分、中熱值、氯元素含量高等特點，屬于極易著火和燃燼的煤；灰中的鉀、鈉含量較高，其灰中的堿性成分（K2O、Na2O、CaO、MgO）含量較高，SiO2、Al2O3、Fe2O3含量也相對偏高；準(zhǔn)東煤的灰熔點波動大，灰熔點范圍窄（ST與FT之差只有40℃）。

表1準(zhǔn)東礦區(qū)某采區(qū)氣化用原料煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

僅從準(zhǔn)東煤的煤質(zhì)特性來說，首先，準(zhǔn)東煤灰中的鉀、鈉含量較高，鈉鹽為易揮發(fā)物質(zhì)，在電站鍋爐燃用揮發(fā)后尤為明顯，容易凝結(jié)在受熱爐壁面上形成燒結(jié)或粘結(jié)性的灰沉積，會對耐火磚長周期運行造成不利影響，降低耐火磚的使用壽命；其次，通常煤灰的化學(xué)組成以氧化物的形式來表示，主要包括 SiO2、A12O3、CaO、Fe2O3、MgO、Na2O、K2O、TiO2和SO3等氧化物，其中SiO2、A12O3和TiO2為酸性氧化物，CaO、Fe2O3、MgO、Na2O、K2O為堿性氧化物，通常情況下，煤灰中堿性氧化物含量越高，灰熔融溫度越低，酸性氧化物含量越高，灰熔融溫度越高，但因煤灰成分的復(fù)雜性，且各組分含量變化較大，煤灰熔融溫度與灰成分之間是一種不確定的數(shù)量關(guān)系，結(jié)合國內(nèi)相關(guān)科研院所相關(guān)研究成果和生產(chǎn)企業(yè)工業(yè)運行經(jīng)驗，一般將煤灰成分中的酸堿比控制在1.0～2.85、硅鋁比控制在1.5～2.5時，煤的灰熔點一般可在1100～1250℃，其粘溫特性曲線較為平滑，比較適合氣化爐的運行。而由表1可知，準(zhǔn)東煤煤灰中的SiO2、Al2O3和Fe2O3占灰成分的53.25%左右，其含量的相對變化對煤的灰熔點影響極大，使得準(zhǔn)東煤灰熔點范圍窄，氣化爐排渣操作溫度區(qū)間小，操作彈性受限制，不適合單燒，在新型煤氣化技術(shù)用煤選型上具有一定的局限性。

2 氣化裝置整體運行情況

兗礦新疆煤化氣化裝置投運后，受氣化用煤供應(yīng)緊張等因素影響，氣化用煤經(jīng)常變動礦點，煤種變動較為頻繁，再加上對氣化配煤系統(tǒng)不熟悉，入爐煤煤質(zhì)始終處于波動狀態(tài)，僅2014年，兗礦新疆煤化氣化裝置3臺氣化爐（兩開一備）總計停車44次；其中，計劃停車7次，因氣化爐爐壁超溫和燒嘴燒穿故障停車7次，因渣堵停車20多次，因渣堵造成全系統(tǒng)停車5次。鑒于準(zhǔn)東煤煤質(zhì)波動較大、配煤摻燒不穩(wěn)定、入爐煤內(nèi)水波動等原因?qū)ιa(chǎn)運行造成的影響，為了更快、更準(zhǔn)地抓住煤種變化的節(jié)點，2015年上半年加大了對煤漿指標(biāo)的控制，在制漿系統(tǒng)整體運行平穩(wěn)的情況下，嚴(yán)控煤漿濃度、粘度、添加劑使用等指標(biāo)，一旦發(fā)現(xiàn)煤漿指標(biāo)發(fā)生了細(xì)微變化，立即調(diào)整氣化爐運行模式，以有效防止煤種變化造成的氣化爐爐溫控制偏差；同時，在氣化爐的操作維護上，結(jié)合氧煤比、爐溫、渣口壓差等指標(biāo)，保證爐溫的穩(wěn)定控制。因此，2015年上半年雖然準(zhǔn)東煤煤質(zhì)波動依然很大，但氣化爐開停車次數(shù)較 2014 年明顯減少——下降63.6%。2015年下半年至今，兗礦新疆煤化加大了選煤力度，通過精準(zhǔn)篩選鎖定了幾種氣化用準(zhǔn)東煤以及用于摻配的其他礦區(qū)煤種，有效減少了入廠煤的種類，減少了各種煤試用的壓力，正式使用的煤種相對穩(wěn)定（同一煤種使用周期最長達(dá)到141d）。目前，通過引入其他礦區(qū)煤種進(jìn)行摻配，氣化爐運行穩(wěn)定，但企業(yè)用煤成本在不斷攀升?？傊?，從多年來氣化裝置的運行情況來看，原料煤煤質(zhì)變化是氣化爐運行周期短的主要原因之一。

2.1 煤質(zhì)制約的補救措施

2015年起，兗礦新疆煤化對準(zhǔn)東煤煤質(zhì)反復(fù)進(jìn)行研究和取樣化驗，對比發(fā)熱量、灰熔點、粘溫特性以及含水量，并據(jù)露天煤礦煤層儲量、日供應(yīng)量，探尋適合水煤漿氣化爐的原料煤，經(jīng)多次與礦方協(xié)商，為確保入爐煤煤質(zhì)穩(wěn)定，提出并落實了“選擇性開采、專采單放、打堆封存、直供入倉、一礦一倉、配比分析、比例摻配”等措施，實現(xiàn)了合格原料煤（煤質(zhì)）到廠的過程可控和氣化裝置的逐步穩(wěn)定運行。經(jīng)較長時間摸索，據(jù)原料煤粘溫特性，目前煤漿濃度控制在54%～56%、煤漿粘度在600～800cP、灰熔點（FT）一般在1090～1150℃，氣化爐溫度操作區(qū)間基本上能控制在1227～1303℃，基本上能滿足氣化爐穩(wěn)定運行的要求。

建議繼續(xù)加大煤質(zhì)分析頻次，增加對煤灰熔融性和原料煤粘溫曲線的試驗分析，以及單一煤種或多煤種的配比研究，這對新建氣化裝置選擇煤氣化技術(shù)路線和在役氣化裝置的穩(wěn)定運行以及氣化爐負(fù)荷的提高均有積極意義。

2.2 準(zhǔn)東煤對水煤漿氣化爐的適應(yīng)性

據(jù)兗礦新疆煤化氣化裝置多年的生產(chǎn)經(jīng)驗，驗證了孫正泰（中國天辰化學(xué)工程公司原副院長／教授級高工）專家的觀點，從煤種到煤質(zhì)分析，不僅同一個礦區(qū)煤質(zhì)相差甚遠(yuǎn)，甚至同一個煤礦不同煤層的煤質(zhì)都不一樣，同一個礦區(qū)相隔很近的位置煤質(zhì)變化有時也非常大，這對煤化工項目的選煤影響很大。目前，疆內(nèi)氣化裝置采用水煤漿氣化工藝的僅4家企業(yè)，從溝通交流和實地調(diào)研情況來看，水煤漿氣化爐受準(zhǔn)東煤煤質(zhì)制約，氣化裝置長周期運行均不理想；近來，企業(yè)為采購合適煤源確保氣化裝置的長周期、穩(wěn)定運行，只能選擇距離較遠(yuǎn)礦區(qū)的煤，已導(dǎo)致生產(chǎn)經(jīng)營成本大幅上升。因此，就水煤漿氣化爐的適應(yīng)性而言，準(zhǔn)東煤基本上不適合單獨用作水煤漿氣化工藝的原料煤。

3 水煤漿氣化工藝與粉煤氣化工藝的比較

3.1 氣化壓力

水煤漿氣化工藝氣化壓力范圍一般在3.0～8.7MPa，不同壓力等級的水煤漿氣化工藝在國內(nèi)均有大型工業(yè)裝置運行業(yè)績。粉煤氣化工藝氣化壓力范圍相對較窄，國內(nèi)外大型工業(yè)裝置最高氣化壓力為4.0MPa。

3.2 原料煤適應(yīng)性

煤的成分、灰分、灰熔點、活性、粘結(jié)性等變化范圍極廣，不同的煤質(zhì)對煤氣化的狀態(tài)和效率影響很大。

水煤漿氣化的原料是水煤漿，要求具有良好的穩(wěn)定性、流動性、泵送性，應(yīng)選用含水低尤其是內(nèi)水含量低的煤種，以利制取高濃度水煤漿；同時，水煤漿氣化工藝應(yīng)選用灰熔點低和灰粘度適宜的煤種，即宜選用灰熔點低于1300℃的煤種，以利控制合理的氣化溫度（1250～1350℃），延長爐內(nèi)襯耐火磚的使用壽命。因此，水煤漿氣化工藝在煤種適應(yīng)范圍上相對較窄。

粉煤氣化工藝的原料是干煤粉，用高壓氮氣（或CO2）輸送進(jìn)入氣化爐，由于氣化爐操作溫度較高（一般在1400～1700℃），因而粉煤氣化工藝的煤種適用范圍較寬，可以使用褐煤、次煙煤、煙煤、無煙煤及石油焦等，也可使用2種煤摻配的混煤，并可成功實現(xiàn)對高灰分（5.7%～24.5%，最高35%）、高水分（4.5%～30.7%）和高硫分劣質(zhì)煤的氣化。

3.3 加煤方式

水煤漿氣化采用濕磨工藝，粒徑＜10mm的煤粉與水、添加劑同時加至磨煤機，過篩后制得高濃度水煤漿。制漿過程中，要求煤粉粗、細(xì)顆粒比例合理：一般粒徑420μm及以下煤粉占90%～95%，粒徑44μm及以下煤粉占25% ～35%。濃度60%～67%的水煤漿經(jīng)磨機出口槽、低壓煤漿泵、煤漿槽，再由高壓煤漿泵送至氣化爐，輸送系統(tǒng)相對簡單，操作過程非常安全和靈活，耗電量也小，無粉煤爆炸隱患，無粉塵排放，但對重要設(shè)備如高壓煤漿泵的質(zhì)量要求較高（泵內(nèi)隔膜襯里需定期更換才能確保高壓煤漿泵的長期、穩(wěn)定運行）。

粉煤氣化工藝中，將煤研磨至合適粒度的同時用熱風(fēng)（惰性氣）對煤粉進(jìn)行干燥，出磨機時粒度＜10μm的煤粉占比90% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），煤粉的含水量控制在2% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）以下，干燥后的煤粉用氮氣輸送至儲倉，經(jīng)煤鎖斗進(jìn)入加壓粉煤倉，再由高壓氮氣（或CO2）將煤粉均勻送至氣化爐燒嘴，整個過程用氮氣（或CO2）密閉輸送，并由程序控制自動進(jìn)行，粉煤的進(jìn)料方式可靠、安全性有保證。粉煤氣化工藝的鎖斗系統(tǒng)操作相對復(fù)雜，其操作和保護也要求較嚴(yán)格，系統(tǒng)的防爆和防泄漏等安全問題十分關(guān)鍵。相較于水煤漿氣化工藝而言，粉煤氣化工藝進(jìn)料系統(tǒng)占地較大、造價較高，耗電量也大，粉塵排放相對較大。

3.4 粗煤氣成分及氣化效率

水煤漿氣化工藝為濕法進(jìn)料，需在水煤漿氣化爐內(nèi)把占原料量35% ～50%的水加熱蒸發(fā)到約1400℃，原料煤能量的約20%要被消耗掉，熱效率較低，這從水煤漿氣化粗煤氣中CO2含量較高就可得以體現(xiàn)，水煤漿氣化工藝的碳轉(zhuǎn)化率為96% ～98%，有效氣成分（H2＋CO）在80%左右，冷煤氣效率為74%～77%。

粉煤氣化工藝為干煤粉進(jìn)料，用于加熱蒸發(fā)煤中水分的熱量要少得多，避免了濕法進(jìn)料因水汽化和升溫而造成的能量損失，故氧氣消耗較水煤漿氣化低15% ～25%；粉煤氣化工藝的碳轉(zhuǎn)化率約99%，有效氣成分（H2＋CO）高達(dá)90%左右，粗煤氣中的CO2含量低，幾乎無CH4及酚類、焦油等生成，冷煤氣效率達(dá)80% ～83%；粉煤氣化工藝熱效率高，原料煤所含能量的約80% ～83%以粗合成氣的形式予以回收，另外14%～16%以蒸汽的形式予以回收。

原料煤煤質(zhì)相同時粉煤氣化工藝與水煤漿氣化工藝所產(chǎn)粗煤氣組分的對比見表2。

表2 煤質(zhì)相同時兩種氣化工藝所產(chǎn)粗煤氣組分對比%

3.5 氣化系列配置

水煤漿氣化裝置通常采用多系列配置，而且必須設(shè)有備用系列。粉煤氣化裝置的運轉(zhuǎn)率可達(dá)到95%以上，單系列造價較高，一般不設(shè)置備用系列。

3.6 投資及操作費用

粉煤氣化工藝中，氣化爐采用類似鍋爐的水冷壁技術(shù)，熔態(tài)排渣，利用熔渣在水冷壁上冷卻硬化形成的渣層保護爐壁不受高溫侵蝕，利用水管產(chǎn)生蒸汽以調(diào)節(jié)氣化爐內(nèi)的溫度，是鍋爐工作機理與煤氣化爐工作機理的有機結(jié)合，豐富了氣化爐的高溫防護和磨損防護體系，優(yōu)于傳統(tǒng)的“耐火磚防護”理念。

在同等條件下按相同生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)行比較，據(jù)估算，在考慮其相應(yīng)配套空分、耐硫變換等系統(tǒng)投資的基準(zhǔn)上，采用粉煤氣化工藝的裝置建設(shè)投資高于采用水煤漿氣化工藝的裝置建設(shè)投資；其中，采用粉煤氣化工藝的裝置其氣化系統(tǒng)和變換系統(tǒng)投資較高，而空分系統(tǒng)投資略低。

粉煤氣化爐的運行和維護費用低，一方面是由于其氣化效率高和消耗低，因而生產(chǎn)成本低；另一方面，由于不需要備用系列，檢修和維護工作量大大降低，特別是采用水冷壁結(jié)構(gòu)，無耐火磚內(nèi)襯，對氣化爐操作溫度的要求比水煤漿氣化爐寬松，同時其氣化燒嘴運行周期長，因而可大大節(jié)省維護費用。而目前水煤漿氣化爐國產(chǎn)耐火磚使用壽命在1a左右，受耐火磚壽命、氣化燒嘴運行周期等的限制，水煤漿氣化爐的連續(xù)運行周期相較于粉煤氣化爐短，故水煤漿氣化爐的維護費用較高。

3.7 兩種氣化工藝的綜合比較（表3）

表3 粉煤氣化工藝與水煤漿氣化工藝的綜合比較

綜上所述，水煤漿氣化工藝與粉煤氣化工藝各具特色，水煤漿氣化工藝的優(yōu)勢在于投資相對低、國產(chǎn)化程度高、氣化壓力范圍廣、操作相對簡單、生產(chǎn)相對平穩(wěn)，而粉煤氣化工藝的優(yōu)勢在于煤種適應(yīng)范圍較廣、粗煤氣中有效氣含量較高、操作和維護費用較低。

4 準(zhǔn)東煤的成漿性

原料煤的成漿性是能否選用水煤漿氣化工藝的關(guān)鍵，成漿性一般用所制煤漿在正常溫度和剪切速率為100s-1、表觀粘度達(dá)1000mPa·s時的煤漿濃度來衡量。

以準(zhǔn)東本地煤樣進(jìn)行成漿性能試驗：煤樣粗、細(xì)顆粒質(zhì)量比為1∶1或1∶2、不加添加劑時，制得的水煤漿成漿性較差，煤漿濃度較低、粘度偏高；以萘磺酸鹽為分散劑（分散劑用量為煤粉質(zhì)量的0.3%）、不加入穩(wěn)定劑時，制得濃度為51%、52%、53%的水煤漿的表觀粘度分別為440mPa·s、670mPa·s、860mPa·s，上述濃度的煤漿需外力推動才可流動，靜置后有水析出并產(chǎn)生大量軟沉淀。

準(zhǔn)東本地煤樣成漿性能試驗結(jié)果表明：調(diào)整適當(dāng)?shù)拿簶哟帧⒓?xì)顆粒配比，以萘磺酸鹽作為分散劑、不添加穩(wěn)定劑時，收到的煤樣可制備出濃度51%左右的水煤漿。

5 結(jié) 論

（1）準(zhǔn)東煤內(nèi)水含量較高，成漿性較差，制得的水煤漿濃度較低 （僅能達(dá)到50% ～53%）、粘度偏高，需外力推動才可流動，靜置后有水析出并產(chǎn)生大量軟沉淀，如此低的煤漿濃度意味著氣化時需提供大量的熱量來對煤漿中的水進(jìn)行汽化，造成粗煤氣中CO2含量上升、有效氣含量下降，氣化裝置的煤耗和氧耗大幅上升，而過高的煤漿粘度也會增加進(jìn)料系統(tǒng)煤漿泵的能耗，造成全廠經(jīng)濟指標(biāo)下降；同時，準(zhǔn)東煤灰熔點偏高，其FT約1279℃，較高的灰熔點會迫使氣化爐燃燒室的溫度提高，造成耐火磚使用壽命縮短，不利于水煤漿氣化爐的長周期運行；另外，準(zhǔn)東煤煤灰中的堿金屬含量較高，堿金屬一般以氧化物形式存在，如CaO、K2O、Na2O、MgO等，會影響煤的灰熔點和渣的粘溫特性，即直接影響氣化爐的操作溫度，一旦氣化爐操作溫度過高，灰渣不易在氣化爐耐火磚表面掛渣，以渣抗渣的運行機理就難以實現(xiàn)，繼而灰渣對耐火磚的蝕損會成倍增加，將嚴(yán)重影響耐火磚的使用壽命，降低氣化爐的在線率。

（2）據(jù)兗礦新疆煤化氣化裝置的實際運行情況，結(jié)合新疆心連心能源化工有限公司使用的多噴嘴水煤漿氣化爐，奎屯錦疆化工有限公司、神華新疆化工有限公司使用的GE（原德士古）水煤漿氣化爐，以及新疆國泰新華化工有限責(zé)任公司使用的晉華爐（水冷壁水煤漿氣化爐），當(dāng)前采用準(zhǔn)東煤的水煤漿氣化裝置運行過程中仍存在不少的問題，水煤漿氣化工藝仍然無法使用準(zhǔn)東礦區(qū)就地煤（單一煤種），即準(zhǔn)東當(dāng)?shù)孛夯旧喜贿m合單一用作水煤漿氣化工藝的原料煤。

（3）從前述水煤漿氣化工藝與粉煤氣化工藝的對比分析可以看出，粉煤氣化工藝采用水冷壁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)“以渣抗渣”，粉煤氣化爐常用原料煤灰分在8%～30% （灰分過低不利于掛渣，灰分過高氣化性能較差且渣水系統(tǒng)負(fù)荷增加），而兗礦新疆煤化所用準(zhǔn)東煤灰分約8.51% （空干基），灰分適中，適合采用粉煤氣化工藝。因此，建議企業(yè)在新疆投建項目時，若所在區(qū)域原料煤的灰分適中、可磨指數(shù)較高，可考慮作為粉煤氣化工藝的原料。

（4）目前，兗礦集團與貴州開磷集團共同投建的貴州開陽化工有限公司500kt／a合成氨項目氣化裝置中的“開陽爐” （采用科林CCG粉煤氣化工藝，以貴州當(dāng)?shù)孛簽樵希┮褲M負(fù)荷穩(wěn)定運行6a，盡管粉煤氣化激冷流程的粗煤氣之水氣比僅有0.6～0.9，但已足以完成調(diào)整粗合成氣組分的變換任務(wù)；據(jù)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)測算，“開陽爐”的比氧耗為301m3／1000m3（CO＋H2）、比煤耗為596kg／1000m3（CO＋H2），兩項指標(biāo)均處于先進(jìn)水平。

綜上所述，水煤漿氣化工藝與粉煤氣化工藝的多方面對比分析表明，準(zhǔn)東當(dāng)?shù)孛夯旧喜贿m合單一用作水煤漿氣化工藝的原料煤，準(zhǔn)東煤為適宜的粉煤氣化工藝用原料煤。