煤質(zhì)變化對(duì)四噴嘴氣化爐運(yùn)行的影響分析

潘勝軍(江蘇索普新材料科技有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

水煤漿在氣化爐內(nèi)燃燒過(guò)程較為復(fù)雜，主要分為裂解、燃燒與氣化反應(yīng)三個(gè)階段，且氣化反應(yīng)受煤質(zhì)與煤種影響較大。在煤炭選擇時(shí)應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制，首選優(yōu)質(zhì)煤，并采用技術(shù)提高劣質(zhì)煤的利用率。但在實(shí)際工作中，部分技術(shù)人員未能充分意識(shí)到煤質(zhì)改變對(duì)氣化爐運(yùn)行產(chǎn)生的影響，尚未采取有效應(yīng)對(duì)措施，抑制了氣化爐的應(yīng)用效果。對(duì)此，應(yīng)從煤炭采購(gòu)、人員素質(zhì)、爐礦調(diào)節(jié)等方面著手，使氣化爐能夠更加安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

1 水煤漿在氣化爐中的燃燒過(guò)程

1.1 熱裂解

在水煤漿與氧氣共同放入氣化爐后，水分快速蒸發(fā)變成水蒸氣，煤粉出現(xiàn)熱裂解反應(yīng)并釋放出揮發(fā)份。上述環(huán)節(jié)的熱量供應(yīng)源在于爐體環(huán)境高溫輻射出的熱量，以及反彈的高溫反應(yīng)氣。在高溫環(huán)境下，裂解產(chǎn)物與易揮發(fā)物質(zhì)得到充分燃燒，煤粉變?yōu)槊航?，并產(chǎn)生大量反應(yīng)熱，在合成氣內(nèi)沒(méi)有酚類、焦油、高分子烴類等物質(zhì)的存在。

1.2 燃燒反應(yīng)

在煤出現(xiàn)裂解反應(yīng)后，產(chǎn)生的煤焦分為兩個(gè)部分：一部分與剩余氧氣接觸后產(chǎn)生燃燒反應(yīng)，形成二氧化碳、一氧化碳等，釋放反應(yīng)熱；剩余部分與水蒸氣接觸后產(chǎn)生氣化反應(yīng)，形成氫氣和一氧化碳。在氣化爐中，氧氣消耗情況如下：與可燃?xì)怏w接觸后發(fā)生反應(yīng)，占爐內(nèi)總氧的10%左右；與煤焦反應(yīng)后生成一氧化碳，占爐內(nèi)總氧的30%左右；與煤焦發(fā)生反應(yīng)后產(chǎn)生二氧化碳，占爐內(nèi)總氧的60%左右。煤焦消耗與氧氣消耗相匹配，在燃燒后形成二氧化碳，占煤焦總量的30%左右，產(chǎn)生的一氧化碳占總量的30%，剩余40%左右煤焦沒(méi)有參與到燃燒反應(yīng)中，而是直接加入到氣化反應(yīng)中。

1.3 氣化反應(yīng)

經(jīng)過(guò)上述反應(yīng)后，爐內(nèi)氧氣基本被充分消耗完畢，此時(shí)需要進(jìn)行煤焦、氧氣、水蒸氣的還原反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣與一氧化碳。該反應(yīng)作為關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，在化學(xué)反應(yīng)平衡方面難度較大，需要花費(fèi)較多熱量與時(shí)間，且對(duì)氣化反應(yīng)結(jié)果具有直接影響。在上述反應(yīng)時(shí)間分配方面，裂解與燃燒反應(yīng)占用時(shí)間較少，總時(shí)長(zhǎng)不超過(guò)10%，氣化反應(yīng)用時(shí)較長(zhǎng)，通常超過(guò)90%。在爐內(nèi)不同物質(zhì)與碳接觸后反應(yīng)速率不盡相同。例如，燃燒反應(yīng)中碳與氧氣接觸后產(chǎn)生二氧化碳，其反應(yīng)速率為10 000；在氣化還原反應(yīng)中，碳與二氧化碳接觸后形成一氧化碳，反應(yīng)速率為1；當(dāng)碳與氧化氫接觸后生成一氧化碳與氫氣，反應(yīng)速率為4?？梢?jiàn)，燃燒反應(yīng)中的速率最高，氣化還原反應(yīng)最低，因此還原反應(yīng)所需時(shí)間較長(zhǎng)[1]。

2 煤質(zhì)變化對(duì)水煤漿加壓氣化產(chǎn)生的影響

2.1 灰分含量

煤中的無(wú)價(jià)值成分被稱為灰分，含量越低煤的質(zhì)量越高，在四噴嘴氣化期間，為了能夠順利以液態(tài)排出爐外，需要將溫度提高到灰熔點(diǎn)以上，但氣化反應(yīng)自身無(wú)需在高溫狀態(tài)下開(kāi)展，此舉在無(wú)形中增加了氧氣消耗，部分碳燃燒后變成二氧化碳，使反應(yīng)溫度得以保障。據(jù)調(diào)查，在氣化反應(yīng)條件相同情況下，每提高1%的灰分含量，氧氣消耗便會(huì)增加0.7%～0.8%，煤的消耗量也隨之增加1.3%～1.5%?；曳趾颗c煤的有效成分含量具有反比關(guān)系，當(dāng)前者增加時(shí)，后者便會(huì)降低，還會(huì)加速耐火磚的磨損，縮短其使用壽命，使灰水中固含量提升，加劇對(duì)閥門、管道等部件的磨損，導(dǎo)致設(shè)備故障率發(fā)生率提升。此外，灰分含量還會(huì)影響成漿性能，導(dǎo)致煤質(zhì)不夠均勻，煤漿添加劑性能降低，對(duì)于同一煤種來(lái)說(shuō)，對(duì)煤漿濃度提升產(chǎn)生不良影響。為了提高成漿性能，使?fàn)t體能夠高效運(yùn)行，應(yīng)根據(jù)氣化爐廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)煤質(zhì)參數(shù)，再結(jié)合煤的種類的特殊性，盡可能將灰分含量控制在12%以內(nèi)。

2.2 煤灰熔點(diǎn)

在氣化爐運(yùn)行中，通常溫度超過(guò)煤灰熔點(diǎn)的50～100 ℃，因爐內(nèi)耐火材料對(duì)溫度有所要求，需要將灰熔點(diǎn)控制在1 350 ℃以內(nèi)。對(duì)品質(zhì)良好的煤，其灰熔點(diǎn)相對(duì)較高，可利用石灰石粉等助溶劑，使灰熔點(diǎn)降低。在添加助溶劑時(shí)，應(yīng)綜合考慮溶劑對(duì)熔渣、耐火材料、整體效益產(chǎn)生的作用，努力探索最佳助溶劑加入量。在熔化溫度檢測(cè)中，細(xì)致觀察煤灰堆積的椎體形狀與溫度變化間的關(guān)聯(lián)，總結(jié)出四種溫度特征，即初始變形、軟化、半球與流動(dòng)?；胰埸c(diǎn)通常是指流動(dòng)溫度，其數(shù)值受灰的化學(xué)組成影響。根據(jù)日常煤灰分析可知，灰分占比在90%～95%之間的成分為氧化鈣、三氧化二鐵，其含量相對(duì)變化對(duì)灰熔點(diǎn)產(chǎn)生極大影響，可通過(guò)上述指標(biāo)對(duì)粘溫特性進(jìn)行研究。通常情況下，灰分內(nèi)氧化鈣、氧化鐵的含量與灰熔點(diǎn)具有反比關(guān)系，氧化鋁、氧化硅含量與灰熔點(diǎn)具有正比關(guān)系。但因灰分并非以獨(dú)立物理形式存在，且結(jié)晶后產(chǎn)物結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，灰熔點(diǎn)差異并非較大，無(wú)法作為唯一判定準(zhǔn)則。在煤種灰分熔融程度判斷時(shí)，多采用以下公式，當(dāng)酸堿比位于1～5之間時(shí)，表示易熔，如若數(shù)值超過(guò)5，則表示難熔。

2.3 黏溫特性

該特性代表的是熔融后灰渣黏度與溫度間的聯(lián)系。煤渣在熔融后帶有一定的黏度，在煤種確定的情況下，受運(yùn)行溫度的影響發(fā)生改變。在爐體受自重作用朝著下方流動(dòng)，在流動(dòng)期間氣流會(huì)產(chǎn)生一些作用力，這一特性可能為牛頓流體，也可能是非牛，主要由煤種與運(yùn)行溫度來(lái)決定。為使煤渣能夠順利的排放出去，應(yīng)將熔渣處于牛頓流體區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，如若處于非牛區(qū)域，則爐體很可能結(jié)渣。對(duì)此，應(yīng)確定運(yùn)行溫度最低值，即臨界溫度。因煤種有所區(qū)別，黏溫特性方面也不盡相同，部分煤種在特定溫度區(qū)間灰渣黏度改變不夠顯著，氣化運(yùn)行溫度區(qū)間較寬，即便運(yùn)行溫度與設(shè)定值相差較大，也不會(huì)對(duì)氣化反應(yīng)產(chǎn)生過(guò)大負(fù)面影響；部分煤種對(duì)溫度變化較為敏感，一旦運(yùn)行溫度稍微偏離標(biāo)準(zhǔn)值，灰渣黏度便發(fā)生強(qiáng)烈改變，這要求操作者加強(qiáng)重視，避免因溫度過(guò)低影響灰渣的順利排出。對(duì)于水煤漿來(lái)說(shuō)，多利用液態(tài)排渣的方式，運(yùn)行溫度與黏度具有反比關(guān)系，可促進(jìn)灰渣流動(dòng)，但若黏度過(guò)低，爐磚侵蝕速度便會(huì)加快。對(duì)此，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)運(yùn)行溫度超過(guò)1 400 ℃后，每提高20 ℃，耐火磚熔蝕速度便會(huì)提高1倍。當(dāng)溫度下降后，灰渣黏度提升，嚴(yán)重影響流動(dòng)性，致使出口受到堵塞?？梢?jiàn)，應(yīng)將黏度適中控制在最佳區(qū)間，根據(jù)灰渣黏溫特性控制爐體運(yùn)行溫度，一般超過(guò)煤灰熔點(diǎn)的50～100 ℃。

2.4 煤的成漿性

該指標(biāo)是指煤炭研磨后產(chǎn)生煤漿性能品質(zhì)，對(duì)水煤漿特性產(chǎn)生影響，包括煤粉粒度構(gòu)成、煤質(zhì)特性、添加劑數(shù)量等方面。通過(guò)元素含量分析可知，O/C比對(duì)成漿性影響最高，O/C比增大，成漿性較弱。煤中O/C比可將含氧官能團(tuán)的含量展現(xiàn)出來(lái)，如羥基-OH。在煤質(zhì)發(fā)生改變后，O/C比降低，極性官能團(tuán)也隨之降低，成漿性提升。因極性官能團(tuán)較高，在煤的外表?yè)碛休^強(qiáng)的電性與親水性，附著許多水分子，以水化膜的形式包裹在表面，使可流動(dòng)水量降低。此外，煤外表還帶有負(fù)電，極性官能團(tuán)含量與電性具有正比關(guān)系，使外表對(duì)陰離子型添加劑的吸附量降低，影響成漿效果。

2.5 其他影響

除上述指標(biāo)之外，在氣化爐運(yùn)行中還會(huì)受到其他指標(biāo)的影響，具體如下。

(1)揮發(fā)份含量。當(dāng)煤質(zhì)中揮發(fā)份含量越高時(shí)，氣化反應(yīng)便會(huì)越順利，煤氣產(chǎn)率也會(huì)隨之提升，但并非是越高越好，在超過(guò)某一數(shù)值后煤種便容易自燃，增加儲(chǔ)存難度。揮發(fā)分與煤質(zhì)變化程度相關(guān)，新煤的揮發(fā)份含量相對(duì)較高，反應(yīng)活性較強(qiáng)。

(2)全水分含量。該項(xiàng)指標(biāo)越低，氣化反應(yīng)效果越好，含水量最大值不要超過(guò)8%，該指標(biāo)與揮發(fā)份有所關(guān)聯(lián)，在揮發(fā)份指標(biāo)處于20%～30%之間時(shí)，內(nèi)在水分含量最低；當(dāng)揮發(fā)份指標(biāo)超過(guò)30%后，二者具有正比關(guān)系；當(dāng)揮發(fā)份低于20%時(shí)，二者具有反比關(guān)系[2]。

(3)可磨性。當(dāng)煤質(zhì)發(fā)生改變后，其硬度和可磨性均會(huì)隨之變化，使磨機(jī)負(fù)荷增加，磨出的煤漿質(zhì)量可能與要求不符。如若進(jìn)磨機(jī)煤粒加大，磨機(jī)出口處粗顆粒增加，原煤損耗量提高，加上煤漿粒徑較大，難以生產(chǎn)出濃度符合要求的煤漿，還可能導(dǎo)致燒嘴煤漿環(huán)縫隙位置受堵；如若進(jìn)煤機(jī)的煤?？s小，可能因過(guò)度粉碎增加煤漿黏度，影響整體穩(wěn)定性，進(jìn)而阻礙后續(xù)煤漿輸出與霧化。

3 煤質(zhì)變化的有效控制措施

3.1 保障優(yōu)質(zhì)煤供應(yīng)穩(wěn)定

化工廠應(yīng)加強(qiáng)煤炭質(zhì)量供應(yīng)管理，從源頭上加強(qiáng)管理，確保優(yōu)質(zhì)煤的穩(wěn)定供應(yīng)。在市場(chǎng)中選取資質(zhì)齊全、誠(chéng)信可靠的供應(yīng)商，與其簽訂長(zhǎng)期供貨協(xié)議，嚴(yán)格落實(shí)各項(xiàng)煤炭產(chǎn)品質(zhì)量管控措施，實(shí)施責(zé)任制度，各個(gè)環(huán)節(jié)都要派遣專業(yè)人員進(jìn)行檢定把關(guān)，確保煤炭品質(zhì)優(yōu)良，供應(yīng)及時(shí)且穩(wěn)定。此外，還應(yīng)不斷開(kāi)辟優(yōu)質(zhì)煤源市場(chǎng)，提高市場(chǎng)敏感度，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)采集市場(chǎng)前沿信息，及時(shí)準(zhǔn)確的開(kāi)展煤產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)工作，將灰分低、有效成分高的優(yōu)質(zhì)煤供應(yīng)給氣化爐車間，便于生產(chǎn)人員選擇合適的品種，確保氣化爐的持續(xù)高效運(yùn)行。如若優(yōu)質(zhì)煤無(wú)法做到穩(wěn)定供應(yīng)，可利用先進(jìn)技術(shù)提高煤質(zhì)，如：混燒、摻燒、配煤等，通過(guò)配煤燃燒實(shí)驗(yàn)，對(duì)爐體穩(wěn)定運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行確定，對(duì)不同煤種進(jìn)行混燒、摻燒等，由此提高煤的質(zhì)量，提高劣質(zhì)煤的利用率，節(jié)約氣化爐運(yùn)行成本。

3.2 注重爐礦調(diào)節(jié)與煤管理

當(dāng)煤質(zhì)發(fā)生改變后，應(yīng)及時(shí)調(diào)整工況，注重爐體溫度控制，密切觀察爐壁外表溫度、氣體成分、渣樣等，使氣化爐能夠穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，還應(yīng)注重煤產(chǎn)品的管理、儲(chǔ)存與運(yùn)輸，采取有效手段預(yù)防存儲(chǔ)煤風(fēng)化與自燃。在儲(chǔ)存時(shí)，確保環(huán)境溫濕得宜，按照種類不同分別堆放，對(duì)粒徑較大的煤需要碾碎存儲(chǔ)。一旦發(fā)現(xiàn)煤質(zhì)發(fā)生改變，應(yīng)對(duì)氣化爐運(yùn)行情況進(jìn)行檢查，查看渣口溫度、爐壁溫度、合成氣成分等，將各項(xiàng)指標(biāo)綜合分析結(jié)果上報(bào)給操作者，便于科學(xué)調(diào)節(jié)與管控，提高煤炭資源利用率，保證氣化反應(yīng)效果。根據(jù)生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在新煤放入倉(cāng)庫(kù)1.5 h后，大煤漿槽中便會(huì)新煤進(jìn)入，在2.0 h左右新煤便會(huì)進(jìn)入氣化爐中。因大煤漿槽發(fā)揮緩沖作用，在煤質(zhì)發(fā)生改變后無(wú)法立即影響運(yùn)行參數(shù)，而是循序漸進(jìn)的過(guò)程，如若在量變期間出現(xiàn)異常，應(yīng)對(duì)爐體溫度準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，避免爐礦惡化。在新煤種投入使用后，要求中控人員細(xì)致觀察、科學(xué)操作，觀察煤

種變化產(chǎn)生的影響，可通過(guò)觀察渣口壓差變化判斷灰熔點(diǎn)是否提升。當(dāng)發(fā)現(xiàn)爐運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)異常，應(yīng)通知現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行爐渣查驗(yàn)與分析，根據(jù)分析結(jié)果與相關(guān)工藝參數(shù)變化，做出科學(xué)準(zhǔn)確的判斷。

3.3 提前應(yīng)對(duì)煤種變化

在氣化爐運(yùn)行中，改變以往事后應(yīng)對(duì)的方式，做到提前應(yīng)對(duì)煤種變化。在事先得知煤質(zhì)或品種發(fā)生變化時(shí)，生產(chǎn)部門與車間應(yīng)發(fā)出正式通知，并在交接班記錄中做好標(biāo)記，使一線人員能夠提前做好準(zhǔn)備，要求各崗位人員密切關(guān)注參數(shù)變化情況，及時(shí)調(diào)整各項(xiàng)指標(biāo)，如：煤漿濃度、精煤灰熔點(diǎn)、灰水水質(zhì)等，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并提早發(fā)現(xiàn)和處理，使系統(tǒng)始終處于穩(wěn)定運(yùn)行階段，避免安全隱患發(fā)生。在實(shí)際工作中，操作者應(yīng)密切分析工藝參數(shù)，全面掌握煤的灰熔點(diǎn)、煤漿濃度、水分、黏度等指標(biāo)，在發(fā)生異常情況后及時(shí)發(fā)覺(jué)，剖析原因，并調(diào)整到合理范圍，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 提高運(yùn)行操作者技術(shù)水平

加強(qiáng)對(duì)從業(yè)者的管理培訓(xùn)，使其掌握更多操作技能，當(dāng)煤質(zhì)發(fā)生改變后，應(yīng)及時(shí)調(diào)整研磨水量與添加劑量，確保水煤漿質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。技術(shù)人員還應(yīng)密切監(jiān)控氣化爐運(yùn)行狀態(tài)，包括渣口壓差、合成氣成分、爐壁溫度等，合理調(diào)節(jié)參數(shù)，積累操作經(jīng)驗(yàn)，確保爐體在任何燃燒條件下都能夠穩(wěn)定運(yùn)行。在煤質(zhì)發(fā)生變化后，現(xiàn)場(chǎng)人員與中控技術(shù)員需要協(xié)調(diào)配合，掌握整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，中控人員應(yīng)對(duì)爐溫、渣口壓差等關(guān)鍵指標(biāo)變化趨勢(shì)進(jìn)行全面了解，根據(jù)特定時(shí)段內(nèi)爐況走勢(shì)以及現(xiàn)場(chǎng)人員調(diào)查，尋找最佳爐況，以較高的技術(shù)水平從容應(yīng)對(duì)煤質(zhì)變化對(duì)氣化爐運(yùn)行產(chǎn)生的影響，使氣化生產(chǎn)持續(xù)開(kāi)展。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前煤炭資源需求量激增，經(jīng)常出現(xiàn)供應(yīng)不足情況，煤質(zhì)隨時(shí)會(huì)發(fā)生改變，對(duì)氣化爐運(yùn)行帶來(lái)較大影響。在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)加強(qiáng)灰分含量、煤灰熔點(diǎn)、黏溫特性、煤的成漿性等指標(biāo)的觀察，制定科學(xué)可行的管控措施，有效避免灰渣堵塞、儲(chǔ)煤受潮或自燃等不良事件發(fā)生，通過(guò)持續(xù)不斷的摸索與實(shí)踐，確保整個(gè)氣化爐系統(tǒng)正常運(yùn)行，取得更多經(jīng)濟(jì)效益。