原料煤煤質(zhì)對碎煤加壓氣化爐的影響及優(yōu)化調(diào)整

梁進倉，張福亭，張 雷

(伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司，新疆 伊寧 835000)

0 引 言

碎煤加壓氣化是目前煤化工項目中應(yīng)用比較成熟、廣泛的一種氣化工藝，其原料煤適應(yīng)范圍廣，單爐生產(chǎn)能力大，可實現(xiàn)間斷加煤、連續(xù)氣化且自動化控制程度高，蒸汽、氧氣消耗量低，粗煤氣中甲烷含量高而備受煤制天然氣項目的青睞，國內(nèi)大部分煤制天然氣項目均選用碎煤加壓氣化工藝。某20×108m3/a煤制天然氣項目因配套煤礦供煤量不足，滿負荷生產(chǎn)時只能通過外購煤予以保證，由于種種原因，外購煤常有供應(yīng)不足的情況，加之上游配套煤礦原煤粒度變化較大，造成原料煤煤質(zhì)波動較大，影響碎煤加壓氣化爐的安全穩(wěn)定運行。以下結(jié)合該煤制天然氣項目碎煤加壓氣化爐的實際運行情況，就原料煤煤質(zhì)對碎煤加壓氣化的影響及優(yōu)化調(diào)整等作一分析與探討。

1 碎煤加壓氣化工藝概述

碎煤加壓氣化爐各床層高度(爐篦以上起算)：灰層0～300 mm，燃燒層300～600 mm，氣化層600～2 200 mm，干餾層2 200～2 700 mm，干燥層2 700 mm以上，邊界層(環(huán)形)9.4 mm(厚度)。

碎煤加壓氣化爐各床層溫度：灰層450 ℃，燃燒層1 000～1 100 ℃，氣化層550～1 000 ℃，干餾層350～550 ℃，干燥層350 ℃，邊界層(環(huán)形)>250 ℃。

2 原料煤消耗情況及煤質(zhì)分析

該20×108m3/a煤制天然氣項目，原設(shè)計采用的原料煤(粒度>8 mm)和燃料煤(粒度<8 mm)均來自上游配套煤礦，煤礦原料煤供應(yīng)可達16 000 t/d，但粒度>8 mm的原料煤僅占70%，約為11 200 t/d，而實際生產(chǎn)中滿負荷運行時碎煤加壓氣化爐(22臺φ4 000 mm氣化爐，十八開四備)要消耗粒度>8 mm的原料煤約16 000 t/d，保持系統(tǒng)滿負荷運行尚缺粒度8 mm以上的原料煤約4 800 t/d，需從周邊煤礦采購汽運煤6 000 t/d(汽運煤中粒度>8 mm的塊煤占比約80%)。為保證氣化爐的安全穩(wěn)定運行，上游煤礦供煤與外購汽運煤按照2.5∶1(質(zhì)量比)的配比入煤倉。煤礦煤、汽運煤及2.5∶1混合煤典型工業(yè)分析數(shù)據(jù)如表1。

表1 原料煤典型工業(yè)分析數(shù)據(jù) %

3 原料煤煤質(zhì)變化對碎煤加壓氣化爐的影響

3.1 原料煤粒度變化對氣化爐運行的影響

碎煤加壓氣化工藝要求入爐煤粒度為8～100 mm。為保證入爐煤粒度，該煤制天然氣項目上游煤礦來煤與外購汽運煤在備煤系統(tǒng)篩分樓進行篩分，粒度<8 mm的粉煤送熱電鍋爐煤倉，粒度>8 mm的塊煤送氣化框架；為防止塊煤篩分不徹底，在氣化框架前設(shè)置爐前篩分，篩分后粒度>8 mm的煤送入氣化爐煤倉，粒度<8 mm的煤送至煤場后再送熱電煤倉。由于氣化框架(22臺氣化爐布局情況為：氣化框架A為7#→1#氣化爐、氣化框架B為8#→1#氣化爐、氣化框架C為7#→1#氣化爐)的供煤順序為8#/7#→1#氣化爐，1#氣化爐處于框架輸煤末端，當(dāng)其他氣化爐上煤時有少量未篩分徹底的粉煤(約1 t/h)從卸煤器底部刮刀下漏出進入末端爐煤倉，導(dǎo)致入末端氣化爐原料煤粒度偏小，末端氣化爐內(nèi)床層阻力偏大，易造成爐內(nèi)煤氣偏流、帶出物偏多，導(dǎo)致循環(huán)洗滌泵入口及煤氣水分離系統(tǒng)部分換熱器經(jīng)常發(fā)生堵塞，影響末端氣化爐的安全穩(wěn)定運行。據(jù)顆粒流體力學(xué)中顆粒沉降相關(guān)知識，當(dāng)Re>500時，粉煤主要克服氣流阻力，原料煤的粒度越小、煤氣的流速越快，粗煤氣帶出物就越多。為減少末端氣化爐帶出物以減輕廢熱鍋爐底部集水槽出口管線、循環(huán)洗滌泵入口管線堵塞等，只能通過降低末端氣化爐負荷以降低粗煤氣流速——末端氣化爐氧負荷由5 740～6 300 m3/h(標(biāo)態(tài)，下同)降至4 500～5 000 m3/h。

3.2 原料煤工業(yè)分析數(shù)據(jù)對氣化爐運行的影響

3.2.1 水分對氣化爐運行的影響

原料煤中水分過高，煤處于潮濕狀態(tài)，原料煤黏度增大，易造成溜槽堵塞，導(dǎo)致氣化爐斷煤。原料煤在氣化爐內(nèi)干燥層與干餾層的加熱速度一般在20～40 ℃/min，高水分的煤進入氣化爐后，煤中的水分與粗煤氣換熱(水分蒸發(fā)為水蒸氣)，易降低煤的升溫速率，導(dǎo)致干燥層、干餾層下移，影響氣化層厚度，造成粗煤氣產(chǎn)率偏低；若原料煤中水分過低，則會導(dǎo)致干燥層、干餾層升溫過快，原料煤粉化，爐內(nèi)阻力增大，粗煤氣帶出物增多。如表1所示，汽運煤與煤礦煤形成的混合煤，其水分比煤礦煤高了1.52%，這部分水不參與爐內(nèi)氣化反應(yīng)，對氣化爐運行的影響不是很大，但煤中水分增加，會多產(chǎn)氣化廢水243 t/d，后續(xù)廢水處理裝置的運行負荷及費用會增加。

3.2.2 固定碳含量對氣化爐運行的影響

煤熱解出揮發(fā)分以后，剩下的殘焦減去灰分被稱為固定碳(含量)。在碎煤加壓氣化爐內(nèi)，干燥層除去煤中大部分水分，干餾層除去煤中的大部分揮發(fā)分，固定碳主要消耗在燃燒層和氣化層，碳與O2的燃燒反應(yīng)，O2充足時生成CO2，不足時生成CO，固定碳在燃燒層與O2接觸時大部分的O2生成CO2、少量O2生成CO。正常生產(chǎn)時，該煤制天然氣項目氣化爐消耗混合煤約16 000 t/d，滿負荷時氣化爐耗氧量103 000 m3/h，單臺氣化爐耗氧量約5 740 m3/h，單臺氣化爐耗煤量約37.73 t/h，煤中固定碳量為17.63 t/h，若在燃燒層3/4的O2與碳反應(yīng)生成CO2、1/4的O2與碳反應(yīng)生成CO，計算可得燃燒層消耗3.83 t/h的固定碳(約占固定碳含量的21.7%)，固定碳燃燒釋放的熱量為氣化層的反應(yīng)提供能量，剩余78.3%的固定碳在氣化層與高溫水蒸氣、CO2、H2等反應(yīng)生成原始煤氣，氣化層為煤氣生成的主要床層。據(jù)質(zhì)量守恒定律計算，固定碳產(chǎn)生的粗煤氣量約占總煤氣量的60%，即原料煤中固定碳含量直接影響著氣化爐的煤氣產(chǎn)率與原料煤消耗，故在一定范圍內(nèi)原料煤中的固定碳含量越高越好。

3.2.3 揮發(fā)分對氣化爐運行的影響

揮發(fā)分為煤中有機質(zhì)和部分礦物質(zhì)分解成氣體和液體的溢出物減去煤中水分。碎煤加壓氣化爐內(nèi)，在干餾層中煤被煤氣加熱，煤中的有機質(zhì)開始軟化，煤中吸附的H2、CO2、CO、H2S、NH3、CH4、C2以上氣體及重芳烴、多元烴、輕烴、混合酚等有機物在干餾層析出并隨粗煤氣出氣化爐，煤中揮發(fā)分越高，重芳烴、多元烴、輕烴、混合酚的產(chǎn)量就相對較高，揮發(fā)分過高易導(dǎo)致有機質(zhì)在干餾層不能完全分解，造成揮發(fā)分下移而壓縮氣化層厚度，影響煤氣產(chǎn)率。揮發(fā)分產(chǎn)生的粗煤氣約占粗煤氣總量的5%～10%，這部分煤氣成分大致為CH450.3%、H213.1%、CO 20.4%、CO26.1%、其他9.9%。

3.2.4 灰分及灰熔點對氣化爐運行的影響

灰分是煤完全燃燒以及煤中礦物質(zhì)分解所剩的殘渣，主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O、P2O5、SO3，其中，SiO2、Al2O3、P2O5、SO3為酸性氧化物，F(xiàn)e2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O為堿性氧化物，灰分中酸性氧化物含量偏高時煤的灰熔點偏高，堿性氧化物含量偏高時煤的灰熔點偏低?；曳肿陨韺饣癄t的操作影響不大，但灰熔點是碎煤加壓氣化工藝的重點關(guān)注指標(biāo)，其高低會明顯影響水蒸氣和O2用量及氣化反應(yīng)強度——灰熔點偏低，若低于燃燒層溫度，易導(dǎo)致床層結(jié)渣，影響氣化爐的安全穩(wěn)定運行，只能通過增大汽氧比來降低灰層和燃燒層溫度；灰熔點偏高，則需減小汽氧比來提高灰層和燃燒層溫度。煤礦煤、汽運煤及2.5︰1混合煤的灰熔點典型分析數(shù)據(jù)如表2。

表2 原料煤灰熔點典型分析數(shù)據(jù) ℃

4 原料煤煤質(zhì)波動時氣化爐的優(yōu)化調(diào)整

該煤制天然氣項目入爐煤煤質(zhì)情況總體如下：汽運煤主要來自廠區(qū)周邊一家煤礦，與上游配套煤礦長輸皮帶送來的原料煤進行摻燒，這兩種煤煤質(zhì)相對比較穩(wěn)定，至今未出現(xiàn)過因入爐煤水分、固定碳、揮發(fā)分、灰分含量過高或過低而導(dǎo)致系統(tǒng)生產(chǎn)異常；時常因原料煤(配套煤礦煤)或汽運煤中粉煤含量過高篩分不徹底，或篩分樓弛張篩、爐前篩分系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致氣化爐入爐塊煤中粉煤含量偏高而影響系統(tǒng)運行；由于運輸、采購、煤場轉(zhuǎn)運、天氣等方面的原因，經(jīng)常出現(xiàn)汽運煤摻燒比例減小的情況，因入爐混合煤固定碳、揮發(fā)分含量等發(fā)生變化，導(dǎo)致氣化爐運行出現(xiàn)異常。目前來看，日常生產(chǎn)中主要需重點關(guān)注原料煤粒度變化、配煤比例調(diào)整對氣化爐運行的影響，及時進行工況調(diào)整或處理。

4.1 粒度變化時氣化爐的優(yōu)化調(diào)整

4.1.1 粒度變化時氣化爐的運行情況

上游煤礦來煤直接進入筒倉，然后經(jīng)皮帶轉(zhuǎn)運至篩分樓煤倉；汽運煤經(jīng)煤場篩分后轉(zhuǎn)運至篩分樓煤倉，然后經(jīng)弛張篩篩分后送至氣化爐爐前篩分，篩分出的粒度>8 mm的塊煤最終送至各氣化爐煤倉。但實際生產(chǎn)中時常會因原料煤粒度較差及篩分方面的問題導(dǎo)致氣化爐入爐煤粒度差，粒度<8 mm小顆粒煤進入氣化爐的比例增加，影響氣化爐的安全穩(wěn)定運行。如某次因入爐煤粒度變化(見表3)，生產(chǎn)中氣化爐出口粗煤氣溫度由362 ℃逐漸漲至436 ℃，雖未超標(biāo)，但粗煤氣帶出熱量增多，導(dǎo)致氣化爐夾套副產(chǎn)蒸汽減少1.5 t/h、低壓廢鍋副產(chǎn)蒸汽增加2.5 t/h，隨著氣化爐運行時間的延長，粗煤氣溫度仍有上漲趨勢，低壓廢鍋集水槽開始出現(xiàn)不同程度的堵塞，灰渣中也有結(jié)渣現(xiàn)象，隨后將汽氧比增加0.2 kg/m3，調(diào)整后結(jié)渣現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)，但低壓廢鍋集水槽堵塞并未減輕，而且有效氣產(chǎn)量也明顯減少。入爐煤粒度異常前后單爐典型運行參數(shù)對比如表4。

表3 異常前后入爐煤粒度典型分析數(shù)據(jù)對比 %

表4 入爐煤粒度異常前后單爐典型運行參數(shù)對比

結(jié)合表1數(shù)據(jù)與碎煤加壓氣化爐工藝特點，入爐煤粒度變化對氣化爐運行的影響分析如下：粗煤氣與煤在氣化爐內(nèi)逆向接觸，從干燥層出來的粗煤氣經(jīng)波茨曼套筒與氣化爐內(nèi)壁之間的間隙出氣化爐，氣化爐設(shè)計直徑為4 000 mm，此間隙寬度為186 mm，且粗煤氣只有一個出口，當(dāng)入爐煤粒度變差時，氣化爐內(nèi)阻力增加，壓差變大，造成離粗煤氣出口遠的一側(cè)粗煤氣量減少、離粗煤氣出口近的一側(cè)粗煤氣量增加，即爐內(nèi)粗煤氣出現(xiàn)偏流現(xiàn)象，同側(cè)粗煤氣流量增加，氣體流速增大，則同側(cè)干燥層、干餾層被帶出的小顆粒煤直徑越來越大、帶出量越來越多，因而工況異常時單臺氣化爐粗煤氣帶出物產(chǎn)生的焦渣由2.0 t/d漲至2.5 t/d；帶出物增多導(dǎo)致同側(cè)床層阻力越來越小，粗煤氣偏流越來越嚴重；大量的小顆粒煤被帶出氣化爐后，易造成廢熱鍋爐集水槽及后續(xù)煤氣水分離系統(tǒng)管線及設(shè)備堵塞；粗煤氣出口同側(cè)干燥層、干餾層小顆粒煤被帶出后易形成風(fēng)洞；隨著煤的不斷消耗和下移，風(fēng)洞也逐漸下移至氣化層、燃燒層，導(dǎo)致氣化層偏流、燃燒層局部火焰上移，氣化爐內(nèi)各床層紊亂，氣化爐出口粗煤氣超溫(一般會上漲60～90 ℃)。若此時汽氧比調(diào)整不及時，很容易造成燃燒層局部結(jié)渣，嚴重時可導(dǎo)致粗煤氣中CO2、O2含量超標(biāo)及煤氣產(chǎn)率下降等，需停爐處理。

4.1.2 入爐煤粒度變化時的優(yōu)化調(diào)整

據(jù)表3，異常時入爐煤粒度<8 mm的占比比正常時高了2.6%，此時單爐煤耗為38.8 t/h，比正常時高了0.9 t/h。為消除入爐煤粒度變化對氣化爐運行的不利影響，需減少入爐煤中粒度<8 mm的沫煤，主要采取了如下優(yōu)化調(diào)整措施。

(1)優(yōu)化原料煤采購，加強原料煤粒度管理，將粒度作為入廠煤的一項重要采購指標(biāo)，禁止使用粒度>8 mm塊煤占比低于65%的汽運煤入廠；當(dāng)上游配套煤礦產(chǎn)煤粒度較差時，及時暫停供煤(正常情況下廠區(qū)庫存煤礦來煤可滿足系統(tǒng)滿負荷運行3 d)并聯(lián)系處理，以防入爐煤粒度變差。

(2)加強篩分樓、爐前篩分弛張篩的巡檢和養(yǎng)護，弛張篩出現(xiàn)問題時及時處理，防止弛張篩因超負荷運行而篩分不徹底，導(dǎo)致入爐煤粒度變差。

(3)將波茨曼套筒向里壓縮200 mm，以擴大波茨曼套筒與氣化爐內(nèi)壁間隙(截面積擴大了0.34倍)，大幅減小粗煤氣流速，從而減少粗煤氣中的帶出物，減少或避免后續(xù)管道與設(shè)備的堵塞。

(4)將廢熱鍋爐集水槽底部格柵寬度由8 mm改為18 mm，以減少集水槽堵塞頻次，并在煤氣水分離系統(tǒng)初焦油分離器底部增設(shè)三相離心機，取出帶出物。

經(jīng)上述優(yōu)化調(diào)整后，氣化爐入爐煤粒度明顯改善，避免了氣化爐工況波動，粗煤氣帶出物減少，廢熱鍋爐集水槽底部堵塞頻次明顯變少，且當(dāng)入爐煤粒度發(fā)生變化時氣化爐操作彈性增大，氣化爐工況處于可控狀態(tài)。

4.2 煤礦煤與汽運煤配比變化時的優(yōu)化調(diào)整

正常生產(chǎn)中，上游煤礦供煤量為16 000 t/d，大多數(shù)時候上游煤礦供煤量能得到保證，備煤系統(tǒng)設(shè)7個儲煤筒倉儲存煤礦供應(yīng)煤，最多時可存50 kt原料煤，滿負荷生產(chǎn)時需外購汽運煤6 000 t/d，汽運煤時常不能保證供給，當(dāng)汽運煤供應(yīng)不足時，為保證系統(tǒng)生產(chǎn)負荷，只能調(diào)整煤礦來煤與汽運煤的配比，減少汽運煤用量，直至汽運煤全部用完。由表1和表2可知，當(dāng)入爐汽運煤逐漸被煤礦煤替代時，入爐煤中的揮發(fā)分由30.55%漲至32.69%，固定碳含量由46.74%降至44.04%，入爐煤灰熔點之變形溫度(DT)降低15 ℃、半球溫度(HT)降低8 ℃，如此會給氣化爐的運行帶來如下影響：雖然入爐煤中揮發(fā)分的增加可使粗煤氣產(chǎn)量增加，但入爐煤中固定碳含量的減少會使粗煤氣產(chǎn)量減少更多，導(dǎo)致比煤耗增加；原料煤中揮發(fā)分增加，有機質(zhì)裂解揮發(fā)需要更多的熱量，容易使干餾層厚度增加(下移)、氣化層厚度減小；原料煤中固定碳含量減少，煤在爐內(nèi)停留時間變短，氣化反應(yīng)不徹底，氣化爐煤氣產(chǎn)率降低，同樣導(dǎo)致比煤耗增加；入爐煤灰熔點降低(主要是DT和HT)，氣化爐燃燒層的溫度又控制在DT～HT之間，為防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣，需降低燃燒層溫度，迫使氣化爐低負荷運行，而降低燃燒層溫度最有效的方法是增大汽氧比(增加蒸汽用量)，以增大燃燒層氣體流速，減少燃燒熱在燃燒層的停留時間。

入爐煤配比汽運煤與否的單爐典型運行參數(shù)對比如表5。可以看到，煤礦煤與汽運煤配比變化時(入爐汽運煤被煤礦煤全部替代)，入爐煤工業(yè)分析數(shù)據(jù)(尤其是固定碳含量)隨之發(fā)生變化，為防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣，將汽氧比增加0.2 kg/m3后，單爐4.9 MPa蒸汽耗增加約1.14 t/h、煤耗增加約0.89 t/h、天然氣產(chǎn)量減少約194.5 m3/h(天然氣總產(chǎn)量減少約3 501 m3/h)，表明灰熔點與固定碳含量的高低不僅嚴重影響著氣化爐的煤耗，還影響煤氣產(chǎn)率、天然氣產(chǎn)量，繼而影響氣化裝置運行的經(jīng)濟性。因此，生產(chǎn)中應(yīng)加強汽運煤采購管理，保證汽運煤供應(yīng)，以保證氣化爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。

表5 汽運煤配比與否的單爐典型運行參數(shù)對比

5 結(jié)束語

雖然碎煤加壓氣化工藝原料煤適用范圍較廣，但是原料煤煤質(zhì)變化對碎煤加壓氣化爐的穩(wěn)定運行影響很大，尤其是原料煤粒度、固定碳含量、灰熔點，在很大程度上決定著氣化爐能否安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。原料煤煤質(zhì)發(fā)生變化時，操作上稍有不慎，很容易引起氣化爐停爐，且原料煤煤質(zhì)變化還影響著氣化爐的消耗、煤氣產(chǎn)率以及運行的經(jīng)濟性。因此，采購人員應(yīng)加強汽運煤的采購管理與協(xié)調(diào)，防止因汽運煤供應(yīng)不足而引起入爐煤煤質(zhì)的較大波動；當(dāng)汽運煤不足而引起入爐煤煤質(zhì)發(fā)生變化時，應(yīng)及時通知操作人員，緊盯操作系統(tǒng)，提前預(yù)判，超前調(diào)節(jié)，以免氣化爐工況紊亂，保證氣化爐的長周期、安全、穩(wěn)定運行。