煙煤混配在殼牌氣化爐中的應(yīng)用探究

李老所，呂永平

(云南大為制氨有限公司，云南 曲靖 655338)

公司殼牌粉煤氣化裝置屬于加壓氣流床氣化工藝，是目前世界上較為先進(jìn)的煤氣化技術(shù)之一，以粉煤、氧氣及蒸汽為原料，生產(chǎn)CO和H2為主要成分的粗合成氣，具有碳轉(zhuǎn)化率高、冷煤氣效率高、氧耗低、自動化程度高、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)越性。煤質(zhì)的選擇是制約煤氣化裝置能否長周期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵[1]。2021年前公司煤種結(jié)構(gòu)主要是以無煙煤混配石油焦。為了降低生產(chǎn)成本，公司混配的石油焦主要是高硫石油焦，產(chǎn)品粗合成氣組分中H2S體積分?jǐn)?shù)高達(dá)0.9%～1.0%，長年的使用導(dǎo)致設(shè)備腐蝕受損、檢維修費(fèi)用升高、安全風(fēng)險(xiǎn)增大。2016年至今，氣化爐水冷壁管已發(fā)生泄漏10次，且每次泄漏點(diǎn)數(shù)逐年增多，制約了公司氣化裝置的安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行。

隨著煤化工產(chǎn)業(yè)及煤氣化技術(shù)的發(fā)展，近年來優(yōu)質(zhì)煤炭價(jià)格呈現(xiàn)上漲，石油焦價(jià)格更是上漲迅猛。為降低公司氣化用煤成本，拓寬煤源，本文選取具有高活性、低灰份、低灰熔點(diǎn)、低硫的煙煤代替石油焦混配，經(jīng)過煤質(zhì)分析、模型計(jì)算等混配方案的研究[2]，在確保安全控制措施的前提下，完成混煤試燒，并逐漸應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，為公司殼牌氣化爐用煤拓寬了煤源，降低了合成氨成本，提升了氣化裝置綜合能力。

1 煙煤混配試燒

1.1 煙煤煤質(zhì)指標(biāo)與殼牌氣化爐用煤指標(biāo)對比分析

2020年10月，通過調(diào)研并結(jié)合相同裝置兄弟公司煙煤使用經(jīng)驗(yàn)，對新疆煙煤進(jìn)行煤質(zhì)分析，經(jīng)與殼牌氣化爐入爐煤指標(biāo)進(jìn)行對比分析研判(煤質(zhì)指標(biāo)見表1)，新疆煙煤煤質(zhì)指標(biāo)完全滿足殼牌氣化爐入爐煤指標(biāo)的要求。

表1 殼牌氣化爐入爐煤指標(biāo)與煙煤煤質(zhì)指標(biāo)對比

1.2 混配試燒方案確認(rèn)

公司用煤結(jié)構(gòu)中無煙煤主要是貴州煤、富源煤，該煤種具有的特性是高灰分、高灰熔點(diǎn)、低熱值。根據(jù)配煤技術(shù)的要求(配煤技術(shù)是指利用不同煤種各自組成成分、物理和化學(xué)性質(zhì)的差異，相互取長補(bǔ)短，使最終配出的混配煤在性能指標(biāo)上達(dá)到最佳狀態(tài)，以滿足用戶對煤的質(zhì)量要求[3])，經(jīng)對公司穩(wěn)定使用的無煙煤、煙煤及無煙煤與煙煤不同比例混配進(jìn)行分析，最終確定使用無煙煤與煙煤等用2.5∶1的比例試燒。該試燒方案的煙煤、無煙煤及混配煤的煤質(zhì)特性分析如下：

1.2.1 煙煤、無煙煤及混配煤煤質(zhì)分析

結(jié)果見表2。

表2 煙煤、無煙煤、混配煤煤質(zhì)分析結(jié)果

如表2所示，煙煤內(nèi)水稍高，但在殼牌氣化用煤推薦指標(biāo)內(nèi)；揮發(fā)分較高，有利于提高氣化反應(yīng)的活性，降低氣化反應(yīng)活化能，增加粗合成氣產(chǎn)量；灰熔點(diǎn)較低，與無煙煤混配能有效的降低入爐煤粉的灰熔點(diǎn)，減少石灰石的添加量；硫含量較低，能很好的減少高硫合成氣對氣化設(shè)備、管線的腐蝕?；炫涿悍治鰯?shù)據(jù)充分證明了混配的特征及適用性。

1.2.2 煙煤、無煙煤及混配煤灰組分分析

灰組分分析數(shù)據(jù)結(jié)果見表3。

表3 煙煤、無煙煤、混配煤主要灰組分分析

如表3可知，煙煤、無煙煤、混配煤的各項(xiàng)指標(biāo)都在殼牌氣化爐用煤推薦指標(biāo)范圍內(nèi)。其中煙煤的鉀、鈉含量較低，有效降低了混配煤中的鉀、鈉含量，更有利飛灰在合成冷卻器中流動，減少飛灰的粘積；氧化鈣氣量較高，能有效提高混配混中的堿金屬含量，減少石灰石的添加量，甚至不添加，優(yōu)化爐膛內(nèi)高溫熔融灰渣的粘度。

2 工業(yè)試燒過程實(shí)施及效果分析

2.1 煙煤混配煤工業(yè)試燒的實(shí)施

2021年3月，氣化裝置嚴(yán)格按照制定的試燒方案組織開展工業(yè)試燒，試燒運(yùn)行期間，氣化爐運(yùn)行平衡，氣化系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)各項(xiàng)工藝參數(shù)都能較好的控制在裝置工藝參數(shù)指標(biāo)內(nèi)。但由于采購進(jìn)廠的無煙煤灰分波動較大(在22%～28%波動)，為控制入爐煤粉灰分波動在18%～20%，煙煤混配比例根據(jù)無煙煤灰分的變化情況適時(shí)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，據(jù)統(tǒng)計(jì)，試燒運(yùn)行期間，煙煤摻混比例在31%～37%。

2.2 煙煤混配煤試燒前后公司用煤入爐煤粉總結(jié)分析

2.2.1 入爐煤粉煤質(zhì)變化分析

結(jié)果見表4。

表4 入爐煤粉煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

從用煤分析數(shù)據(jù)(如表4)看：煙煤混配煤煤質(zhì)符合調(diào)研確定的試燒方案，揮發(fā)分大幅提高、硫含量明顯下降；熱值、固定碳有所降低；灰熔點(diǎn)變化不大，總體煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)滿足氣化爐用煤要求，氣化反應(yīng)活性較好。

2.2.2 入爐煤粉粒度變化分析

結(jié)果見表5。

表5 入爐煤粉粒度分析數(shù)據(jù)

如表5來看，摻燒煙煤粒徑分布<5 μm、粒徑分布>90 μm(%)的含量微有下降，合格粒度微有增加。根據(jù)殼牌氣化工藝對煤粉粒度的控制要求及粒度控制機(jī)理，煤粉合格粒度比例增加，能使煤粉在氣化爐中有限的停留時(shí)間內(nèi)得到更完全的燃燒、氣化，從而提高碳的轉(zhuǎn)化率、提高產(chǎn)氣率。

2.3 工業(yè)化試燒工況主要工藝參數(shù)變化對比分析

數(shù)據(jù)見表6。

表6 主要工藝參數(shù)變化數(shù)據(jù)表

煙煤混配煤種試燒過程中，從表6中可知，氧煤比控制比摻燒石油焦偏低，氣化爐SGC入口溫度13TIA-0019下降 7 ℃，水氧比的控制由20%降到11%，粗合成氣有效氣體組分CO、H2含量略上升，H2S含量下降顯著，下降了58.42%。有效氣體的增加能更好的降低合成氨生產(chǎn)噸氨成本，H2S含量的降低，能有效降低高硫粗合成氣對氣化設(shè)備、管線的腐蝕。

2.4 灰、渣、濾餅殘?zhí)己孔兓瘜Ρ?/h3>

數(shù)據(jù)見表7。

表7 灰、渣、濾餅殘?zhí)己?/p>

煙煤混配煤種試燒過程中，從表7來看，配燒煙煤過程中，飛灰殘?zhí)?、渣中殘?zhí)肌V餅殘?zhí)急扰錈徒苟加兴陆?。究其原因，主要是配燒煙煤，入爐煤粉揮發(fā)分比配燒石油焦時(shí)增加了一倍，揮發(fā)分的增加，有效提升了煤粉的氣化反應(yīng)活性，從而使飛灰、渣、濾餅的碳含量得到降低。

2.5 工業(yè)化試燒工況主要物料消耗變化對比

在試燒運(yùn)行期間，從主要物料消耗數(shù)據(jù)(見表8)分析，摻燒石油焦期間，氣化最高負(fù)荷可以達(dá) 19.5 kg/s(備注：氣化負(fù)荷用氧氣流量進(jìn)行核計(jì)，大為制氨氣化100%負(fù)荷時(shí)的氧氣流量：20 kg/s)，摻燒煙煤期間，最高運(yùn)行負(fù)荷達(dá) 19.1 kg/s，其原因主要是受制于激冷氣量不足所致。摻燒煙煤與摻燒石油焦各種物料消耗、產(chǎn)量、灰渣量、濾餅量等都有明顯變化。其中石灰石添加量降低了71.23%，過熱蒸汽的添加量降低了39.29%，每小時(shí)平均產(chǎn)氣量有所上升，濾餅量明顯降低，因投煤量的增加，灰、渣產(chǎn)量增加。在負(fù)荷、混配比例穩(wěn)定下，液氨產(chǎn)量增加104噸。

表8 主要種物料消耗數(shù)據(jù)

3 煙煤混配煤試燒評價(jià)

1)煙煤混配試燒期間，氣化爐氧氣負(fù)荷 19.1 kg/s(滿負(fù)荷為 20 kg/s)，煙煤摻燒比例27%～35%，碳轉(zhuǎn)化率達(dá)98.18%，與摻燒石油焦同等工況(石油焦摻燒比例24%，氣化爐負(fù)荷 19.3 kg/s)對比，碳轉(zhuǎn)化率提高1.73%。

2)煙煤熱值比石油焦低，灰分比石油焦高，混配后熱值比石油焦配低約524 J/g，灰分高3%左右，燒煙煤、燒石油焦期間，入爐煤粉灰熔點(diǎn)基本穩(wěn)定在1270 ℃左右。

3)入爐煤粉煙煤混配煤比石油焦配煤熱值低 524 J/g，更有利于氣化爐的溫度控制。石灰石添加比例由1.5%下降到0.3%左右，大大減少了氣化爐運(yùn)行中無效成分的加入。

4)煙煤混配煤使入爐煤粉揮發(fā)分提高了92.4%，粗合成氣中有效氣體成分得到一定的升。

5)粗合成氣中H2S含量下降率為58.4%，硫含量的降低，有效降低因高硫粗合成氣對氣化設(shè)備、合成氣管線的腐蝕。

6)渣、灰、濾餅中殘?zhí)己坑兴档停渲?，渣中碳含量下降明顯，下降了5.81%。說明煙煤混配煤氣化，碳的轉(zhuǎn)化率較好，比煤耗提高。

7)煙煤混配煤氣化使用，水氧比由20%降至11%，過熱蒸汽消耗量下降約50%，減少了氣化爐對過熱蒸汽的消耗.

4 煙煤混配煤的工業(yè)化應(yīng)用

4.1 各種煙煤配煤種殼牌氣化爐工業(yè)化試燒分析

混配煤試燒成功后，為了拓展殼牌氣化爐對煙煤的適用性，公司從2021年6月到12月主要從新疆、陜西采購不同礦點(diǎn)的煙煤進(jìn)行混配試燒，各種煙煤混配煤的試燒煤質(zhì)及噸氨煤耗見表9。經(jīng)過混配試燒，掌握了煙煤的波動特點(diǎn)，并對不同煙煤與不同無煙煤配比的經(jīng)濟(jì)性及操作性進(jìn)行了全面的分析與研究[4]，對煙煤與無煙煤的混配使用基本找到較好的最佳結(jié)合點(diǎn)，確保了煙煤混配使用氣化爐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

表9 混配煤工業(yè)化試燒關(guān)鍵煤質(zhì)特性及噸氨煤耗

4.2 煙煤混配煤工業(yè)化應(yīng)用分析

經(jīng)部分混配煤使用及噸氨煤耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(見表10)對比分析，混配使用相比石油焦混配大大降低了合成氨生產(chǎn)的成本，為公司合成氨生產(chǎn)創(chuàng)造了效益的最大化。至2023年2月低，殼牌煤氣化已經(jīng)全面使用混配煤運(yùn)行310天左右，其中完成殼牌氣化爐A級運(yùn)行225天，創(chuàng)造了公司殼牌氣化爐、集團(tuán)公司同期殼牌氣化爐A級運(yùn)行的最佳記錄。

表10 混配煤工業(yè)化應(yīng)用關(guān)鍵煤質(zhì)特性及噸氨煤耗

5 結(jié)論

找到煙煤混配的單煤種運(yùn)行最佳點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上，開展了各種煙煤混配煤的試燒工作，成功實(shí)現(xiàn)各種混配煤在殼牌氣化爐中高負(fù)荷安全穩(wěn)定試燒。

2)經(jīng)過近半年多礦點(diǎn)煙煤的混配煤試燒運(yùn)行，掌握了煙煤混配煤種在殼牌氣化爐運(yùn)行的操作要領(lǐng)，為煙煤混配煤在公司殼牌氣化爐全面工業(yè)化應(yīng)用沉淀技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

3)煙煤混配煤的成功應(yīng)用，為公司本地主煤源(富源煤、貴州煤)拓寬了混配煤的煤源，解決了長期摻燒石油焦，對系統(tǒng)設(shè)備、管線的腐蝕問題。

4)煙煤的引入，實(shí)現(xiàn)殼牌氣化爐入爐煤粉高活性組分的提升，更進(jìn)一步的提高了氣化爐入爐煤粉的反應(yīng)活性，有效降低氣化反應(yīng)活化能，解決了原氣化爐渣口掛渣、渣池堵渣的問題。

5)公司煙煤混配煤的全面工業(yè)化摻燒運(yùn)行，有效降低公司合成氨生產(chǎn)的成本，在煤炭價(jià)格波動過程中，若各種煤的價(jià)格波動成線性關(guān)系，經(jīng)預(yù)估公司全年使用煙煤混配煤，每年可以產(chǎn)生約4597萬元的經(jīng)濟(jì)效益，效益明顯，具有推廣價(jià)值。