煙煤在殼牌氣化爐應(yīng)用中的適應(yīng)性探索

尹招進(jìn)

(云南天安化工有限公司， 云南安寧 650309)

某煤氣化裝置采用殼牌粉煤氣化技術(shù)，于2008年5月投產(chǎn)，2008年—2013年主要使用無(wú)煙煤(貴州煤與富源煤)。該煤種熱值低(25.21 MJ/kg左右)、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高(25.08%左右)，導(dǎo)致氣化爐十字架積灰頻繁[1-2]。為降低煤中灰分含量，2013年6月在原料煤中摻燒石油焦。石油焦的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)6%～8%，摻燒后合成氣中硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7 000×10-6～9 000×10-6，高硫含量對(duì)設(shè)備的腐蝕影響較大。隨著設(shè)備逐年老化，磨煤系統(tǒng)設(shè)備磨損、輸煤?jiǎn)卧箟汗苣ノg減薄、氣化爐水冷壁管腐蝕泄漏、渣系統(tǒng)堵渣、合成氣管線腐蝕、氣化爐碳轉(zhuǎn)化率低等相關(guān)問題日趨凸顯，自2013年6月以來(lái)氣化爐水冷壁管出現(xiàn)8次泄漏，且泄漏點(diǎn)數(shù)量逐年增加，影響煤氣化裝置的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。

為進(jìn)一步提升煤氣化裝置的運(yùn)行周期，減少非計(jì)劃停車次數(shù)，使裝置“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”運(yùn)行，組織開展探索煤氣化裝置寬泛化用煤的技術(shù)攻關(guān)，研究使用高活性、高熱值、低灰分含量、低硫含量的煤來(lái)代替石油焦配煤的可行性。

1 煙煤試燒

2019年2月27日，經(jīng)過前期準(zhǔn)備，氣化爐具備摻燒煙煤的條件，并進(jìn)行了煙煤的試燒，摻燒比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)從10%逐步提升至60%左右，使用了不同地區(qū)(青海、甘肅、陜西等)、不同熱值(26～28 MJ/kg)，以及不同灰分含量的煙煤，與之相配的原料煤則采用高硫含量，以及不同熱值(23.5 MJ/kg、24.5 MJ/kg)的煤。對(duì)不同煙煤與不同原料煤配比的混煤進(jìn)行了試燒，煙煤摻燒比例為25%，并完成裝置72 h性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明采用煙煤配煤后，該煤氣化裝置運(yùn)行穩(wěn)定。測(cè)試期間對(duì)煙煤在殼牌氣化爐應(yīng)用中的適用性進(jìn)行了深入的探索，逐步找到了適應(yīng)新煤種的操作控制方式及經(jīng)濟(jì)性配煤方式[3-4]。

2 安全保障措施

煙煤的揮發(fā)分含量高，存在悶燃、自燃的風(fēng)險(xiǎn)，因此，在裝置72 h性能測(cè)試前必須做好安全保障措施，具體為：

(1) 確保原料堆放場(chǎng)地安全消防設(shè)施完好，正常投運(yùn)；加強(qiáng)對(duì)堆放場(chǎng)地的監(jiān)管，發(fā)現(xiàn)煤堆溫度升高、冒煙時(shí)采取相應(yīng)措施。

(2) 倒通至碎煤倉(cāng)的低壓氮?dú)饷ぐ澹顾槊簜}(cāng)適當(dāng)補(bǔ)入氮?dú)狻?/p>

(3) 磨煤系統(tǒng)運(yùn)行過程中嚴(yán)格控制氧體積分?jǐn)?shù)小于8%，一氧化碳體積分?jǐn)?shù)小于5 000×10-6。

(4) 磨煤系統(tǒng)停運(yùn)后，保持反吹運(yùn)行，適當(dāng)補(bǔ)入氮?dú)?，監(jiān)控一氧化碳含量及溫度變化，每班對(duì)停運(yùn)磨煤線放空口檢測(cè)2次一氧化碳含量并做好記錄。

(5) 若磨煤系統(tǒng)需要停運(yùn)檢修，在循環(huán)風(fēng)機(jī)停運(yùn)后應(yīng)保持布袋過濾器反吹運(yùn)行至少1 d。

(6) 監(jiān)控粉煤貯倉(cāng)(V1201)、高壓粉煤給料罐(V1205)的溫度變化，保持各設(shè)備氮?dú)鈺惩ǎ即龎m器(S1201)反吹正常。

(7) 現(xiàn)場(chǎng)配臨時(shí)事故氮?dú)饨宇^，在煤氣化裝置突然停車時(shí)，煤粉輸送單元應(yīng)保持惰性環(huán)境事故用氮。

3 摻燒煙煤前后工況參數(shù)對(duì)比

摻燒煙煤前后實(shí)際配煤及實(shí)際入爐煤的煤質(zhì)分析見表1。

表1 實(shí)際配煤的煤質(zhì)分析

由表1可以看出：煙煤配煤后，入爐煤的熱值下降。

煤粉粒度變化情況見表2。

表2 煤粉粒度分析

摻燒煙煤前后，工藝參數(shù)變化見表3。由表3可以看出：摻燒煙煤后氣化爐的投煤量增加，有效氣量上漲，氨產(chǎn)量上漲，激冷器(SGC)出口溫度上漲，合成氣中硫化氫含量下降。

表3 工藝參數(shù)變化

不同的煙煤摻燒比例下，入爐煤含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)與合成氣中硫化氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化見表4。

表4 入爐煤硫含量與合成氣中硫化氫含量變化

渣、濾餅、灰中的碳含量變化見表5。由表5可以看出：灰中碳含量有下降趨勢(shì)，濾餅中碳含量下降明顯。

表5 渣、濾餅、灰中的碳含量變化

灰、渣、濾餅質(zhì)量變化見表6。由表6可以看出：煤泥量濾餅有下降，渣量增加。

表6 灰、渣、濾餅質(zhì)量流量

4 摻燒效果

4.1 碳轉(zhuǎn)化率提升

由摻燒煙煤72 h性能測(cè)試(煙煤摻燒比例為25%，氣化爐負(fù)荷為19.4 kg/s)考核測(cè)算得出碳轉(zhuǎn)化率為96.18%，與2018年摻燒石油焦性能測(cè)試(石油焦摻燒比例為15%，氣化爐負(fù)荷為19.6 kg/s)對(duì)比，在氧質(zhì)量流量低(0.2 kg/s)的情況下，碳轉(zhuǎn)化率提高了2.18百分點(diǎn)。從全年分析來(lái)看，氣化爐碳轉(zhuǎn)化率達(dá)98%左右。

4.2 生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)提升

相比于石油焦，煙煤的熱值低、灰分含量高；相比于石油焦配煤，煙煤配煤后的熱值低1.11 MJ/kg，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)高3百分點(diǎn)，灰熔點(diǎn)低41 K。

相比于石油焦配煤，入爐的煙煤配煤熱值低0.6 MJ/kg，灰分含量無(wú)變化，灰熔點(diǎn)低2 K。

煙煤揮發(fā)分含量高，活性高，在同等負(fù)荷下， 每天多投81 t煙煤配煤，有效氣體積流量上漲5.2 km3/h，每天多產(chǎn)81 t液氨。

煙煤硫含量低，在同等負(fù)荷下?lián)綗裏熋汉蠛铣蓺庵辛蚧瘹滟|(zhì)量分?jǐn)?shù)下降2 787×10-6，大大降低了對(duì)設(shè)備的腐蝕性。

相比于石油焦配煤，采用煙煤配煤后，碳轉(zhuǎn)化率提升，日產(chǎn)濾餅質(zhì)量下降33.89 t，因投煤量增加，日產(chǎn)渣量多29.55 t，灰量無(wú)太大變化。

相比于石油焦配煤，摻燒煙煤后渣、灰中碳含量變化不大，濾餅中碳含量下降9.83百分點(diǎn)。

4.3 工藝參數(shù)優(yōu)化措施

4.3.1 降低蒸汽質(zhì)量流量

由于煙煤灰分含量低、揮發(fā)分含量高、反應(yīng)活性好，因此將蒸汽質(zhì)量流量從4.4～4.6 kg/s降至4.2～4.4 kg/s控制，爐溫降低之后，渣系統(tǒng)堵渣等情況得到了有效的控制和緩解。

4.3.2 降低石灰石添加比例

由于煙煤中氧化鈣含量高，灰融點(diǎn)低，因此將石灰石添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)由(1.4±0.2)%調(diào)整至(0.4±0.2)%控制，大大節(jié)約了石灰石的用量。

5 煙煤試燒經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

2019年3月—2021年7月，在使用煙煤期間，使用了不同地區(qū)(青海、甘肅、陜西等)、不同熱值(26～28 MJ/kg)及不同灰分含量的煙煤，與之相混配的原料煤則采用高硫含量，以及不同熱值(23.5 MJ/kg、24.5 MJ/kg)的煤，并對(duì)不同煙煤與不同原料煤配比的經(jīng)濟(jì)性及操作性進(jìn)行了全面的分析與研究，找出相對(duì)應(yīng)的混配比例及操作參數(shù)。部分試燒的煙煤分析數(shù)據(jù)見表7。

表7 試燒煙煤統(tǒng)計(jì)

通過對(duì)煤的深入研究后，實(shí)現(xiàn)了以幾點(diǎn)突破：

(1) 打破了之前對(duì)原料煤只使用富源煤、貴州煤的限制，并將富源煤與貴州煤進(jìn)行了混配，對(duì)原鐵、硫含量較高的煤種進(jìn)行了有效的使用，極大拓展了原料煤的采購(gòu)和使用空間；選煤時(shí)不再限定區(qū)域，通過對(duì)來(lái)煤的精細(xì)化研究，在后期的混配中可以達(dá)到最終的入爐煤要求。

(2) 煙煤的引入有效降低了入爐煤的灰分含量，實(shí)現(xiàn)了入爐煤配煤的較大操作空間；煙煤的使用打破了對(duì)高鐵煤、高硫煤、高鈣煤的使用認(rèn)知，含鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高時(shí)達(dá)27.79%，含鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)35.91%，有效解決了原氣化爐渣口掛渣、氣化爐堵渣的問題，通過不斷地實(shí)踐，有效拓寬了煤的使用范圍。

(3) 通過對(duì)煤質(zhì)的提前管控，建立了前方貨場(chǎng)、到站分析、上煤皮帶煤分析及入爐煤質(zhì)分析等日常煤質(zhì)管理模式，建立煤種大數(shù)據(jù)庫(kù)，在對(duì)氣化爐十字架積灰、氣化爐磨損、噸氨成本、運(yùn)行可靠性方面進(jìn)行了充分的論證和實(shí)踐，通過對(duì)氣化爐摻燒煤種的可行性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，達(dá)到最優(yōu)的用煤效果。

(4) 面對(duì)較為復(fù)雜的煤種變化和煤質(zhì)特性，針對(duì)殼牌粉煤氣化的特性，總結(jié)出對(duì)應(yīng)不同煤種的操作控制方法，通過對(duì)氧煤比、石灰石添加量、水氧比、爐溫、多元素特性等進(jìn)行研究，找到了多煤種在殼牌粉煤氣化中的最佳生產(chǎn)方式和操作方法。

煙煤摻燒仍存在以下問題并需要注意以下事項(xiàng)：

(1) 由于煙煤熔點(diǎn)低、灰熔點(diǎn)低，所以氣化爐十字架溫度控制得相對(duì)較低，這對(duì)激冷氣壓縮機(jī)能力提出了更高的要求。

(2) 部分產(chǎn)區(qū)煙煤燃燒后的濾餅黏結(jié)性較強(qiáng)，對(duì)濾餅過濾存在一定的壓力。

(3) 煙煤的灰分含量較低，在配煤過程中需控制入爐煤灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在16%左右。

(4) 煙煤的揮發(fā)分含量較高，在煤的堆存及粉煤的貯存過程中需要做好煤自燃風(fēng)險(xiǎn)的控制。

6 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)煙煤特性進(jìn)行深入的理論分析，對(duì)不同煙煤的灰成分、灰熔點(diǎn)等進(jìn)行總結(jié)，從理論上找到煙煤在殼牌氣化爐應(yīng)用的可行性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)踐和性能測(cè)試。對(duì)氣化爐十字架積灰、氣化爐磨損、噸氨成本、運(yùn)行可靠性方面進(jìn)行了充分的論證和實(shí)踐，分析了氣化爐摻燒煙煤的可行性和經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明：摻燒煙煤具有經(jīng)濟(jì)性，對(duì)煤氣化裝置運(yùn)行具有穩(wěn)定性，有利于裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。特別是煙煤中硫含量低，有利于減緩對(duì)設(shè)備的硫腐蝕；同時(shí)，煙煤活性好，反應(yīng)完全，所得氨產(chǎn)量顯著上升。

通過2019年3月—2022年1月運(yùn)行，氣化爐使用了不同地區(qū)(青海、甘肅、陜西等)、不同熱值(26～28 MJ/kg)，以及不同灰分含量的煙煤，突破了原用煤種的局限性，開拓性地進(jìn)行了高鐵含量、高鈣含量、高硫含量等惡劣煤種的使用，對(duì)煙煤在殼牌氣化爐應(yīng)用中的適用性進(jìn)行了深入的探索，逐步找到了適應(yīng)新煤種的操作控制方式及經(jīng)濟(jì)性配煤方式。氣化爐負(fù)荷從19.4 kg/s降至18.6 kg/s，大大降低了氣化爐水冷壁的磨損，硫含量大幅下降，降低了整體設(shè)備的腐蝕，裝置穩(wěn)運(yùn)行時(shí)間超過1 a，創(chuàng)造了穩(wěn)定運(yùn)行249 d的最長(zhǎng)運(yùn)行記錄。從經(jīng)濟(jì)性來(lái)看，如果全年摻燒煙煤，對(duì)煤氣化裝置節(jié)能降耗、噸氨成本的控制有較大的貢獻(xiàn)。