影響碎煤加壓氣化裝置煤耗的因素及優(yōu)化措施

梁麗麗，侯雷雷，關(guān)文舉，劉宇杰

（河南晉控天慶煤化工有限責(zé)任公司，河南 沁陽 454592）

0 引 言

原料煤的成本（包括原料煤的采購成本、存儲成本和使用成本）一般會占到煤基合成氨裝置生產(chǎn)成本的50% ～60%，煤化工企業(yè)長期以來都在圍繞如何降低煤耗和提高產(chǎn)品產(chǎn)量這一主題進(jìn)行研究和優(yōu)化改進(jìn)。以下對河南晉控天慶煤化工有限責(zé)任公司（簡稱晉控天慶）4.0MPa碎煤加壓魯奇爐多種煤混燒或配燒的操作方案及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，以期為業(yè)內(nèi)保證生產(chǎn)負(fù)荷和降低煤耗等方面提供一些參考與借鑒。

1 碎煤加壓氣化裝置概況

晉控天慶是晉能控股裝備制造集團(tuán)有限責(zé)任公司（簡稱晉能控股集團(tuán)）的下屬控股子公司，是一家以潔凈能源和化肥化工產(chǎn)品為主的大型現(xiàn)代新型煤化工企業(yè)，主營煤制燃?xì)?、合成氨、尿素等化肥化工產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷售。

晉控天慶氣化裝置采用碎煤加壓逆流接觸連續(xù)氣化、固態(tài)排渣工藝，屬于移動床加壓氣化工藝，碎煤加壓氣化爐——魯奇爐屬移動床加壓氣化爐的典型代表，魯奇爐操作壓力為4.0MPa。生產(chǎn)中，粒度為13～50mm（＞90%）的塊煤進(jìn)入氣化爐，與一定比例的蒸汽、氧氣混合燃燒，產(chǎn)生粗煤氣，粗煤氣經(jīng)洗滌冷卻器冷卻降溫以及低壓廢鍋回收熱量后送至變換系統(tǒng)，用于生產(chǎn)合成氨、尿素、煤制天然氣、LNG等產(chǎn)品。

晉控天慶氣化裝置現(xiàn)有6臺魯奇爐（1#～6#爐）和1臺在魯奇爐基礎(chǔ)上升級改造而成的JM-S爐（7#爐），其中JM-S爐是晉能控股集團(tuán)牽頭與賽鼎工程有限公司合作研發(fā)的新型氣化爐。1#～6#魯奇爐自2015年投料試車以來一直運(yùn)行穩(wěn)定。2020年11月晉控天慶新上（建成投運(yùn)）1臺JM-S爐（7#爐），其爐體在第四代魯奇爐基礎(chǔ)上加高1.5m，JM-S爐出口新增旋風(fēng)分離器及中壓廢鍋回收粗煤氣熱量，粗煤氣再經(jīng)冷卻降溫以及低壓廢鍋回收熱量后送至變換冷卻系統(tǒng)；相較于第四代魯奇爐，JM-S爐產(chǎn)氣量明顯增加，且可副產(chǎn)5.0MPa的中壓蒸汽約10t/h，余熱回收利用率大幅提高，具有單爐發(fā)氣量大、運(yùn)行穩(wěn)定、消耗低的優(yōu)點(diǎn)，具有明顯的競爭優(yōu)勢，現(xiàn)JM-S爐運(yùn)行狀況良好。

2019—2020年，晉控天慶創(chuàng)造了4臺氣化爐單爐氧負(fù)荷10000m3/h連續(xù)運(yùn)行1周以及5臺氣化爐連續(xù)運(yùn)行周期在150d以上的運(yùn)行紀(jì)錄。但隨著煤炭采購價格的節(jié)節(jié)攀升，為降低生產(chǎn)成本，晉控天慶氣化裝置所用原料煤品種也逐漸增多——大礦和地方小礦產(chǎn)煤混合使用，最多的時候達(dá)10多種原料煤，正常生產(chǎn)時也有3～4種原料煤；多來源煤種給煤炭的運(yùn)輸、轉(zhuǎn)運(yùn)、儲存、上煤等帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時原料煤煤質(zhì)的不穩(wěn)定也給氣化爐的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行帶來很大的壓力，影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，降低碎煤加壓氣化裝置的煤耗成為晉控天慶2021年生產(chǎn)運(yùn)行管理的重中之重。

2 降低碎煤加壓氣化裝置煤耗的優(yōu)化措施

2.1 入廠煤質(zhì)量的影響及優(yōu)化

對于入廠煤的檢驗(yàn)，因人工采樣存在大量死角，不能對煤樣采集進(jìn)行全覆蓋，管控存在漏洞，易導(dǎo)致入廠煤質(zhì)量不穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)多批次大量不合格煤進(jìn)廠的情況。為此，晉控天慶采用先進(jìn)的自動取樣機(jī)與人工抽檢相結(jié)合的方式進(jìn)行入廠煤質(zhì)量管控，對入廠的每一車煤先用自動取樣機(jī)取樣，分析人員再對每批次煤隨機(jī)抽檢，發(fā)現(xiàn)不合格立刻加樣，并對不合格煤進(jìn)行扣噸月底補(bǔ)煤的方式進(jìn)行處理，以有效提高入廠煤的合格率；同時，晉控天慶每天還對入廠煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時分享，讓操作人員實(shí)時掌握第一手資料，為氣化爐的操作調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持。通過采取一系列的保障措施和精心篩選，目前晉控天慶氣化裝置采用以晉能控股集團(tuán)下屬寺河二號井煤炭為主、配燒其他煤種為輔的煤炭供應(yīng)策略，全年入爐煤固定碳含量合格率達(dá)97%，為氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

2.2 入爐煤摻配比例的影響及優(yōu)化

入爐煤摻配比例不合適，氣化爐高負(fù)荷運(yùn)行時易造成床層燒穿、溝流，嚴(yán)重時會局部形成結(jié)焦，影響氣化爐的負(fù)荷與長周期運(yùn)行。為杜絕因氣化爐結(jié)焦導(dǎo)致的停車，提高氣化爐的在線率，晉控天慶分析人員每班都要對進(jìn)入煤倉前的煤進(jìn)行取樣分析，氣化車間則要派專人每天對入爐煤的摻配比例進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn)，并在原料煤進(jìn)入皮帶前隨機(jī)抽檢，保證入爐煤的摻燒比例和固定碳含量合格，盡可能減少入爐煤摻燒比例不合格對氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

2.3 原料煤固定碳含量的影響及優(yōu)化

煤炭發(fā)熱量的主要影響因素是其固定碳含量，提高原料煤的固定碳含量，煤炭有效成分提高，灰分、揮發(fā)分等相應(yīng)降低：揮發(fā)分低，氣化過程中副產(chǎn)品如焦油、中油產(chǎn)量會隨之降低，也就相應(yīng)降低了氣化煤氣水的處理難度；而且，原料煤的固定碳含量高還可降低汽氧比，使氣化產(chǎn)生的煤氣水量減少，也可相應(yīng)減少煤氣水的處理量。

晉控天慶氣化裝置要求所用原料煤的固定碳含量＞74%，2019年氣化原料煤固定碳含量年均值為76.65%，原料煤主要分析數(shù)據(jù)年均合格率為84.0%。2020年晉控天慶氣化裝置所用原料煤主要分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 2020年氣化裝置所用原料煤主要分析數(shù)據(jù)

由表1可以看出：2020年晉控天慶氣化裝置所用原料煤主要分析數(shù)據(jù)年均合格率為92.39%，較2019年的84.0%提高了8.39%；其中，2020年氣化裝置所用原料煤的固定碳含量和限下率兩個重要指標(biāo)有較為明顯的變化，對氣化爐的生產(chǎn)運(yùn)行造成了一定的影響，具體如下。

2020年氣化裝置所用原料煤固定碳含量年均值為75.96%，較2019年的76.65% 下降了0.69%，這給氣化爐的操作運(yùn)行和噸氨煤耗帶來了一定的負(fù)面影響——因固定碳含量低導(dǎo)致2020年噸氨煤耗較2019年的1032kg增加7kg。噸氨煤耗增加7kg，總氨產(chǎn)量按869.2kt/a計(jì)，年增加原料煤消耗6084.4t；煤炭價格按750元/t計(jì)，年增加煤炭采購成本456.33萬元，對晉控天慶2020年的經(jīng)營效益造成較大影響。

固定碳含量高的煤種，氣化爐運(yùn)行中可控制較低的汽氧比，可使氣化爐在較高的負(fù)荷下運(yùn)行；同時，固定碳含量高，氣化爐產(chǎn)出有效氣（H2+CO）含量也更高，對系統(tǒng)生產(chǎn)有利。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年晉控天慶氣化裝置單爐氧負(fù)荷平均為8300m3/h、汽氧比平均為5.2kg/m3；剔除開停車及大修的影響，氣化爐實(shí)際運(yùn)行氧負(fù)荷平均為9000m3/h、汽氧比平均為5.0kg/m3。2020年與2019年氣化爐所產(chǎn)粗煤氣成分（年均值）的對比見表2?？梢钥闯觯?020年氣化爐所產(chǎn)粗煤氣有效氣體含量為64.64%，2019年為64.77%，2020年較2019年氣化爐所產(chǎn)粗煤氣有效氣含量低0.13%，因有效氣含量降低導(dǎo)致2020年噸氨煤耗增加1.3kg。

表2 魯奇爐所產(chǎn)粗煤氣成分（年均值）的對比%

但是，氣化爐所用原料煤固定碳含量高，也會造成爐內(nèi)反應(yīng)速率減慢，反應(yīng)不完全，煤在爐內(nèi)停留時間長，灰中殘?zhí)吭龈叩?，同時會使原料煤的采購成本增高。因此，將原料煤的固定碳含量與工藝運(yùn)行控制及煤的采購成本相結(jié)合（還需考慮原料煤的可獲得性），探尋最經(jīng)濟(jì)的固定碳含量，是一個需要長期摸索的過程?？偟膩碚f，原料煤的固定碳含量高，對氣化爐的運(yùn)行工況較為有利，對氣化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行及提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有益。但因到貨原料煤品種多，各種原料煤的固定碳含量有一定的差異，如何減少固定碳含量差異對氣化爐運(yùn)行帶來的影響，也是一個需要長期攻關(guān)的問題。

2.4 入爐煤灰熔點(diǎn)的影響及優(yōu)化

制氣條件主要取決于氣化爐的結(jié)構(gòu)和入爐煤的理化性質(zhì)，其中煤的灰熔點(diǎn)是氣化用煤的重要指標(biāo)。魯奇爐的操作溫度一般控制在煤灰變形溫度和軟化溫度之間，晉控天慶氣化裝置入爐煤灰熔點(diǎn)基本上在1475℃以上，由此可以控制較低的汽氧比，提高爐內(nèi)反應(yīng)溫度，減少蒸汽消耗和煤氣水產(chǎn)生量，提高蒸汽分解率，有利于制氣及節(jié)能降耗。但受氣化爐爐箅設(shè)計(jì)材質(zhì)的影響，過高的氣化爐操作溫度會對爐箅造成較大的傷害，且易造成爐內(nèi)結(jié)渣。因此，汽氧比的選擇既要保證氣化爐不結(jié)渣以免工況惡化，又要保證不因蒸汽用量太大導(dǎo)致灰細(xì)增多而排灰困難。若入爐煤的灰熔點(diǎn)相差較大，就無法選擇最佳的汽氧比，簡言之，入爐煤的灰熔點(diǎn)應(yīng)盡量接近，定期對入廠煤和入爐煤進(jìn)行灰熔點(diǎn)分析非常必要。

實(shí)際生產(chǎn)管理中，晉控天慶每周對入廠煤的灰熔點(diǎn)進(jìn)行1次分析，對新煤種則增加分析頻次并分批次抽檢，對入爐煤灰熔點(diǎn)隨時抽檢，做到動態(tài)管理，以保證氣化爐用煤灰熔點(diǎn)的穩(wěn)定性和合格率，為穩(wěn)定生產(chǎn)保駕護(hù)航；同時，將灰熔點(diǎn)不同的煤分開堆放，建立煤場煤炭存放示意圖和臺賬，據(jù)各煤種灰熔點(diǎn)科學(xué)調(diào)配摻燒比例，合理配燒或單燒，以利于選擇最佳的汽氧比，防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣或灰細(xì)過多問題的出現(xiàn)。

2.5 入爐煤粒度的影響及優(yōu)化

在爐箅的轉(zhuǎn)動下，理想狀態(tài)下魯奇爐同一截面上氣化劑的分布是均勻的，但因入爐煤的粒度不同，比表面積也不同，也就給魯奇爐的運(yùn)行帶來了不同的影響：小粒度的煤比表面積較大，反應(yīng)速度快，需要的氧氣也較多，爐內(nèi)反應(yīng)激烈，容易引起局部結(jié)渣現(xiàn)象；大粒度的煤比表面積小，反應(yīng)不完全，與灰渣一起排出時引起灰鎖溫度升高、灰渣中殘?zhí)可?，會?dǎo)致煤耗增加。

魯奇爐屬于碎煤加壓氣化爐，要求入爐煤粒度13～50mm的占比在90%以上，入爐煤粒度分布范圍過大和單一粒度占比太高均不利于制氣：粒度＞60mm的占比太高，易造成加煤系統(tǒng)堵塞，還會在爐內(nèi)產(chǎn)生架橋現(xiàn)象，造成蓬料不下煤、爐內(nèi)反應(yīng)不完全、灰渣中殘?zhí)考懊汉脑黾?；粒度?3mm的占比太高，氣化爐床層阻力增大，燃燒劇烈，易造成爐內(nèi)結(jié)渣現(xiàn)象；入爐煤粒度分布范圍過大，入爐過程中會造成大粒度煤粒較多地散布在爐壁四周、小粒度煤粒較多地集中在爐中心，引起氣化劑分布不均，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行及產(chǎn)氣量。據(jù)多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，晉控天慶對入爐煤粒度控制制定了以下標(biāo)準(zhǔn)：粒度＞60mm的占比≤5%，粒度25～60mm的占比≥58%，粒度13～25mm的占比≤30%，粒度6～13mm的占比≤5%，粒度＜6mm的占比＜2%。

轉(zhuǎn)運(yùn)和碰撞是塊煤破碎的主要原因，保證原料煤粒度，主要是減少煤炭儲運(yùn)過程中的破碎。因此，減小皮帶與溜槽之間的落差、減輕皮帶卸煤時塊煤間的碰撞、減輕塊煤從煤倉進(jìn)入煤鎖過程中的擠壓，是減小塊煤破碎率的有效手段。目前，晉控天慶正在就這些方面進(jìn)行優(yōu)化與攻關(guān)（現(xiàn)正在試驗(yàn)中），擬通過設(shè)計(jì)螺旋溜槽、增加緩沖裝置等手段減小煤炭儲運(yùn)過程中的破碎率。

2.6 原料煤水分的影響及優(yōu)化

煤中水分有外在水分、內(nèi)在水分、結(jié)晶水三種存在狀態(tài)。煤的內(nèi)水含量高，煤的熱值會降低，氣化過程中會吸收熱量用于水分的蒸發(fā)，從而導(dǎo)致氣化爐反應(yīng)溫度降低和污水產(chǎn)生量增加，使生產(chǎn)效率降低；煤的內(nèi)水含量高，儲運(yùn)過程中會增加運(yùn)費(fèi)，加速其風(fēng)化和破碎；煤的內(nèi)水含量高，篩分過程中易吸附粉煤，過多的粉煤入爐會引起煤鎖蓬料，爐況惡化，不利于生產(chǎn)。因此，晉控天慶對固定礦點(diǎn)的煤炭儲存以及雨雪季節(jié)的煤炭儲運(yùn)尤為重視，堅(jiān)持儲新用舊、減少露天存放時間、縮短存期的原則，一方面防止煤中含水量增加，另一方面防止長期存放時內(nèi)部水分蒸發(fā)因蓄熱而發(fā)生自燃?？傊?，既要保證煤炭的使用量及質(zhì)量，又要減少煤炭的存儲量以及煤炭水含量高對氣化爐運(yùn)行帶來的影響。

2.7 入爐煤揮發(fā)分的影響及優(yōu)化

煤的揮發(fā)分反映了煤的變質(zhì)程度，變質(zhì)程度越深，揮發(fā)分越少。合成氨及煤制天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)一般要求使用高變質(zhì)程度的低硫無煙煤，這種煤揮發(fā)分低，故副產(chǎn)品中焦油、中油、酚、氨的產(chǎn)生量少，可有效減少煤氣水處理費(fèi)用。據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，煤的揮發(fā)分大于8%，煤氣及煤氣水成分就會有一定的變化，氣化爐產(chǎn)氣率也會隨之降低，故晉控天慶氣化裝置控制入爐煤揮發(fā)分在8%以下。

2.8 汽氧比的影響及控制

汽氧比是指氣化劑中水蒸氣與氧氣的比值。汽氧比是調(diào)整、控制氣化過程溫度，改變煤氣組成，以及影響副產(chǎn)品產(chǎn)量及煤氣質(zhì)量的重要因素。氣化爐運(yùn)行中，控制較高的汽氧比會使氣化反應(yīng)溫度降低，蒸汽分解率下降，使蒸汽耗量大大增加，且使煤氣水處理系統(tǒng)負(fù)荷增大；同時，汽氧比高易導(dǎo)致細(xì)灰增多，不利于排灰和制氣，也會使煤氣水產(chǎn)生量和處理費(fèi)用增大。因此，為保證氣化爐有正常的熱狀態(tài)，在不引起灰分熔融的條件下，氣化過程應(yīng)盡可能采用低汽氧比操作。但汽氧比也不能過低，否則會造成爐內(nèi)結(jié)渣，使氣化爐工況惡化；若有不同灰熔點(diǎn)的煤混燒，過低的汽氧比更易造成爐內(nèi)局部結(jié)渣和灰渣殘?zhí)可?，?dǎo)致生產(chǎn)不穩(wěn)定和碳利用率降低。

晉控天慶氣化裝置入爐煤灰熔點(diǎn)基本上在1475℃以上，故通過調(diào)整汽氧比優(yōu)化氣化爐運(yùn)行工況的空間較大，最低汽氧比曾降至4.3kg/m3，系統(tǒng)高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)時汽氧比基本上控制在5.0 kg/m3以下?？紤]氣化裝置運(yùn)行效益的最大化，晉控天慶氣化裝置采用不同煤種配燒，不同煤種配燒的情況下更需探尋一個最佳汽氧比，這就要求加強(qiáng)對灰樣的觀察，運(yùn)行班組每班至少取灰1～2次，及時根據(jù)灰樣變化（生產(chǎn)正常時灰樣略有燒結(jié)、粒度中等，呈灰黃色或灰白色）調(diào)整汽氧比，避免影響生產(chǎn)；同時，取灰口的位置及完好也很關(guān)鍵，這關(guān)系到灰樣是否有代表性，否則會對操作調(diào)整起誤導(dǎo)作用，應(yīng)定期對取樣口進(jìn)行檢查維修，保持其完好性。

2.9 灰渣殘?zhí)康挠绊懠皟?yōu)化

晉控天慶每天白班都會對運(yùn)行爐灰渣進(jìn)行殘?zhí)砍闄z，每周對分析結(jié)果進(jìn)行對比，月度進(jìn)行總結(jié)和比較分析；生產(chǎn)中通過控制穩(wěn)定的灰鎖溫度、盡可能降低汽氧比、提高氣化劑溫度等手段降低灰渣殘?zhí)俊?臺魯奇爐（1#～6#爐）2020年與2019年灰渣殘?zhí)糠治鰯?shù)據(jù)（年均值）的對比見表3?？梢钥吹?，2020年晉控天慶1#～6#魯奇爐灰渣殘?zhí)磕昃禐?.21%，較2019年的年均值4.53%增高0.68%。經(jīng)分析，2020年晉控天慶1#～6#魯奇爐灰渣殘?zhí)糠治鰯?shù)據(jù)偏高主要集中在氣化爐的開停車期間，是氣化爐開車后的低負(fù)荷運(yùn)行造成的，剔除2020年4月、5月大修前后氣化爐開停車期間的異常數(shù)據(jù)，2020年晉控天慶1#～6#魯奇爐的實(shí)際灰渣殘?zhí)磕昃禐?.60%，相較于2019年的4.53%增高0.07%。2020年較2019年灰渣殘?zhí)吭龈咭?.68%計(jì)，經(jīng)測算，會造成噸氨煤耗增加0.15kg。

表3 魯奇爐灰渣殘?zhí)糠治鰯?shù)據(jù)（年均值）的對比%

3 結(jié)束語

通過對4.0MPa碎煤加壓魯奇爐的長期運(yùn)行總結(jié)，如今晉控天慶在使用晉城地區(qū)中塊煤、低硫小塊煤、低硫混塊煤等多煤種的分類存儲和試燒方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。雖然小塊煤和混塊煤比表面積大、機(jī)械強(qiáng)度低，受熱易破碎、穩(wěn)定性差，且運(yùn)行過程中頻繁換煤種對氣化爐的高負(fù)荷運(yùn)行造成一定的影響，但低成本采購的原料煤疊加晉控天慶自創(chuàng)的氣化爐12h開車并網(wǎng)運(yùn)行操作法（原始設(shè)計(jì)4.0MPa碎煤加壓魯奇爐開車時各階段時長分別為：蒸汽升溫6h，空氣運(yùn)行6h，切氧、提壓、并網(wǎng)3h；現(xiàn)經(jīng)過長期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，魯奇爐開車時長已縮短至12h），使得晉控天慶氣化裝置的煤耗明顯降低，產(chǎn)品生產(chǎn)成本得到有效控制，使企業(yè)有了較強(qiáng)的盈利能力，從而形成了良性發(fā)展的局面。