五環(huán)氣化爐兩元配煤研究及應用

張家超

(河南龍宇煤化工有限公司， 河南永城 476600)

中國五環(huán)工程有限公司與河南能源有限公司(簡稱河南能源)合作開發(fā)了具有國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的新型五環(huán)爐(WHG)煤氣化工藝，其煤氣化裝置——五環(huán)氣化爐在河南能源下屬的永城園區(qū)投產(chǎn)。WHG干煤粉氣化技術(shù)的原料為干煤粉，采用氣流床加壓氣化、液態(tài)排渣、濕法洗滌，具有適用原料煤種范圍廣、碳轉(zhuǎn)化率高、氧耗低、粗煤氣中富含大量水汽等優(yōu)點[1]。永城園區(qū)地處中國六大無煙煤基地之一的永城礦區(qū)，煤炭資源豐富。五環(huán)氣化爐雖然煤種適應性廣，但是在生產(chǎn)的過程中經(jīng)常因煤種的原因造成激冷段積灰、排渣系統(tǒng)堵渣、氣化爐內(nèi)件燒壞等現(xiàn)象。由于永城本地煤灰分質(zhì)量分數(shù)高、灰熔點高，因此五環(huán)氣化爐無法單一使用永城本地煤；從煤種使用成本及供應穩(wěn)定性方面考慮，需要采用配煤的方式來解決這些問題。

1 技術(shù)特點

該煤氣化裝置單臺五環(huán)氣化爐的生產(chǎn)能力為6.9萬m3/h(以CO+H2計)，主要生產(chǎn)原料為煤和O2，其中煤來自原料煤貯運系統(tǒng)，O2來自空分裝置。五環(huán)氣化爐的主要技術(shù)特點為：

(1) 采用干煤粉進料，加壓N2/CO2輸送，連續(xù)性好，氣化爐操作穩(wěn)定，原料煤種范圍廣；但是要求盡可能保證進料煤質(zhì)的穩(wěn)定性。

(2) 氣化溫度為1 400～1 600 ℃,碳轉(zhuǎn)化率高達99%以上，產(chǎn)品氣體潔凈，煤氣(干氣)中有效氣體(CO+H2)體積分數(shù)達到90%左右。

(3) 氧耗低。與水煤漿氣化相比，WHG煤氣化的氧耗低15%～25%，配套的空分裝置投資少。

(4) 氣化爐采用水冷壁結(jié)構(gòu)，無耐火磚襯里，維護量較少。反應室內(nèi)表面設有銷釘和耐火材料，運行時以渣抗渣，保護氣化爐內(nèi)件。

(5) 在輸氣管出口設置激冷罐，采用水浴，取消殼牌煤氣化中合成氣冷卻器、干法除塵和回收系統(tǒng)，用循環(huán)灰水激冷，對粗煤氣進行降溫和除塵，大幅度降低了工程投資[2]。

(6) 黑水處理采用三級閃蒸流程，灰水經(jīng)過閃蒸濃縮、絮凝沉降后循環(huán)利用，循環(huán)灰水在減濕器內(nèi)和中壓閃蒸汽直接換熱，提高了運行可靠性。中壓閃蒸汽去除氧器作為熱力除氧的熱源，提高了能量利用率。

2 煤質(zhì)的影響

煤質(zhì)的穩(wěn)定性，以及WHG煤氣化工藝對煤質(zhì)的要求，是五環(huán)氣化爐長周期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。從五環(huán)氣化爐運行以來的記錄數(shù)據(jù)分析，非計劃停車中超過一半以上與煤質(zhì)有關(guān)。煤質(zhì)對五環(huán)氣化爐工況的影響，包括水分質(zhì)量分數(shù)、灰分質(zhì)量分數(shù)、灰熔點、固定碳質(zhì)量分數(shù)、揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)等，突出表現(xiàn)在原料煤灰分質(zhì)量分數(shù)和灰熔點方面[3-4]。

灰分質(zhì)量分數(shù)過高將造成渣水系統(tǒng)和灰水處理系統(tǒng)負荷高，燃燒狀態(tài)的波動會造成五環(huán)氣化爐合成氣激冷段積灰、濕洗塔塔盤結(jié)垢、激冷罐積泥及其排放水管線結(jié)垢或堵塞等一系列問題。裝置運行一段時間后，系統(tǒng)壓差增加導致氣化爐操作壓力偏高，影響氣化爐的長周期高負荷運行。為延緩塔盤結(jié)垢，需要增加新鮮工藝水的補充量，造成五環(huán)氣化爐水耗增加，分散劑和絮凝劑等輔材用量也相應增加，增加了后期運行維護成本。

灰熔點過高或者過低，氣化溫度超出了五環(huán)氣化爐的操作窗口，造成氣化爐爐溫波動，導致氣化爐內(nèi)件燒壞或出現(xiàn)堵渣的情況。高揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)的煤易發(fā)生自燃，為了存儲安全，要求揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)在30%以內(nèi)。五環(huán)氣化爐的有效氣產(chǎn)量與煤的固定碳質(zhì)量分數(shù)有關(guān)，一般固定碳質(zhì)量分數(shù)越高，有效氣產(chǎn)量越大。為了提高五環(huán)氣化爐的有效氣產(chǎn)量，要求固定碳質(zhì)量分數(shù)在50%以上或者收到基低位發(fā)熱量大于23 027.4 J/g。

3 永城本地煤質(zhì)量指標

以永城本地A煤礦的煤作為五環(huán)氣化爐的本地煤源。A煤的分析質(zhì)量指標見表1。五環(huán)氣化爐選用本地煤的質(zhì)量指標要求見表2。

表1 A煤的分析質(zhì)量指標

表2 永城本地煤選用的質(zhì)量指標標準

4 外地煤選用的依據(jù)

考慮到2種煤的氣化溫度相差較大易造成氣化反應后移的情況，選用外地煤時盡量選用與本地煤氣化溫度相差不超過150 K，即煤階相近的煤種。本地煤與外地煤配煤時，兩者只是簡單的物理過程，兩種煤各自的性質(zhì)并沒有發(fā)生改變，但是氣化反應后的渣組分發(fā)生了變化。一般要求渣的黏度在5～25 Pa·s。渣的黏度過小，氣化爐內(nèi)壁不容易掛渣，或者出現(xiàn)垮渣，易造成氣化爐內(nèi)件損壞;渣的黏度過大，形成的渣塊大，易造成排渣系統(tǒng)堵渣，導致氣化爐停車。

鑒于本地煤的灰分質(zhì)量分數(shù)和灰熔點偏高，選用外地煤時盡量選用灰分質(zhì)量分數(shù)和灰熔點相對低的煤種。

經(jīng)過多次對山西和陜西煤礦進行考察后，選用陜西彬縣煤作為配煤的首選。

5 本地煤與外地煤兩元配煤方法

兩元配煤后根據(jù)硅鋁比添加一定比例的石灰石作為助熔劑來調(diào)整配比后煤的灰熔點。一般硅鋁比越高，需要添加的石灰石越多。本地煤選用A煤，外地煤選用彬縣煤，按照A煤和彬縣煤質(zhì)量比為1∶1，添加2%(質(zhì)量分數(shù)，下同)石灰石，進行兩元配煤，配煤分析數(shù)據(jù)見表3。若配煤比例不合適，調(diào)整比例后在實驗室進行新配比煤樣分析，根據(jù)分析的結(jié)果判定五環(huán)氣化爐是否可以試燒。

表3 A煤與彬縣煤配煤分析數(shù)據(jù)

兩元配煤后，五環(huán)氣化爐在操作時爐溫控制比較平穩(wěn)，排渣比較順暢，渣水系統(tǒng)含固質(zhì)量分數(shù)控制在1.5%以下。經(jīng)過一段時間的試燒未出現(xiàn)激冷段積灰、氣化爐內(nèi)件燒壞、渣水系統(tǒng)堵渣等情況。采用以上方法，逐漸探索合適的外地煤，經(jīng)過多次配比研究和五環(huán)氣化爐試燒，確定了外地煤種的選用指標要求(見表4)。

表4 外地煤選用指標標準

6 兩元配煤存在的問題及優(yōu)化

配煤中出現(xiàn)的主要問題是原煤煤質(zhì)不穩(wěn)或者摻配不均，造成原煤的黏溫特性變化較大，導致操作難度較大，氧煤比調(diào)整幅度較大，爐溫不穩(wěn)定，出現(xiàn)掛渣不均、燒嘴罩泄漏等問題。從五環(huán)氣化爐的運行檢修情況來看，主要表現(xiàn)為煤種的不穩(wěn)定造成的激冷罐積泥和下降管積灰問題。

一方面，通過宏觀調(diào)控的手段保證外地煤的穩(wěn)定，并在內(nèi)部管理上加強精準配煤以盡可能達到入爐煤質(zhì)的相對穩(wěn)定；另一方面，煤的質(zhì)量直接影響到灰水水質(zhì)和灰水系統(tǒng)運行的穩(wěn)定。工藝調(diào)整中，操作員根據(jù)氣化爐的負荷及時地調(diào)整循環(huán)灰水量，通過優(yōu)化藥劑配方和添加量來保證水質(zhì)的正常，盡可能延緩管線和設備的結(jié)垢。2020年，單臺五環(huán)氣化爐運行周期進一步延長，達到了A級運行288 d的良好成績。

7 結(jié)語

(1) 通過兩元配煤的研究解決了五環(huán)氣化爐的用煤問題，保證了五環(huán)氣化爐的操作穩(wěn)定。使用合適的兩元配煤后五環(huán)氣化爐未出現(xiàn)激冷段積灰、燒壞內(nèi)件的情況。

(2) 通過兩元配煤降低了單一使用外地煤的成本，降低了生產(chǎn)成本，提高了經(jīng)濟效益。

(3) 通過兩元配煤的研究確定了外地煤的選用指標，為選用外地煤提供基礎(chǔ)參數(shù)。

(4) 兩元配煤的成功為下一步研究多元配煤奠定了基礎(chǔ)，可以進一步改善五環(huán)氣化爐激冷罐積泥情況，實現(xiàn)五環(huán)氣化爐長周期、高負荷安全穩(wěn)定運行的目標。