粘溫特性差的原煤在航天爐中的應(yīng)用探索

王宏志，高 鑫，劉曉軍，焦子陽

（航天長征化學工程股份有限公司，北京 100176）

富煤、貧油、少氣的能源結(jié)構(gòu)決定了我國在相當長的時期內(nèi)要以煤作為主要的能源，我國煤炭資源的特點是高灰、高硫、高灰熔點、灰渣粘溫特性差的劣質(zhì)煤所占比例較高。目前，國際上先進的氣流床潔凈煤氣化技術(shù)在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，但是因其技術(shù)上的局限性，灰渣粘溫特性差等劣質(zhì)煤的應(yīng)用還很少，對原料煤的需求還具有一定的選擇性。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對能源的需求增長，優(yōu)質(zhì)煤消耗量大，價格不斷攀升，大力發(fā)展煤炭高效、潔凈利用技術(shù)，充分利用劣質(zhì)原煤成為我國煤炭能源可持續(xù)發(fā)展的必由之路。航天粉煤加壓氣化技術(shù)作為我國首套擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的潔凈煤氣化技術(shù)，具有裝置運行穩(wěn)定、操作簡便、煤種適應(yīng)性強等優(yōu)勢。我們利用灰渣粘溫特性差的原煤在航天粉煤加壓氣化裝置中進行了生產(chǎn)實踐探索，并利用實踐結(jié)果指導生產(chǎn)，獲得了良好的效果。下面詳細介紹。

1 灰渣的粘溫特性

灰渣是由各種礦物組成的混合物，沒有確定的由固相轉(zhuǎn)為液相的熔融溫度，熔融過程通常有4個特征溫度，即變形溫度DT、軟化溫度ST、半球溫度HT、流動溫度FT，統(tǒng)稱為灰渣的熔融特性溫度，是確定氣化爐操作溫度的重要指標。但是這些指標僅能定性說明灰渣的熔化范圍，不能反映灰渣高溫熔化時的動態(tài)特性。而這一性質(zhì)需通過灰渣粘溫特性表示。粘溫特性反映了灰渣粘度隨溫度變化的趨勢，溫度升高，灰渣的粘度降低。對于液態(tài)排渣的氣化爐，為維持煤灰的流動，保證氣化爐順利排渣，粘度應(yīng)在5～25Pa·s之間，通常將粘度為25Pa·s所對應(yīng)的溫度稱為氣化爐的最低排渣溫度［1～2］。所以，在確定氣流床氣化爐操作溫度和選擇煤種時，不僅要求操作溫度高于流動溫度50～100℃，以保證原煤較高的轉(zhuǎn)化率［3］，還要求在該溫度范圍內(nèi)灰渣粘度適宜，變化緩慢。

2 灰渣粘溫特性對液態(tài)排渣氣化運行的影響

2.1 對德士古工藝的影響

曹芳賢［4］等對灰渣粘溫特性較差的原煤進行了生產(chǎn)試燒，總結(jié)了粘溫特性對德士古液態(tài)排渣氣化爐運行的影響。生產(chǎn)實踐表明，灰渣粘溫特性差的原煤，使氣化爐操作溫度高，爐磚損耗快，跳車頻繁，生產(chǎn)無法穩(wěn)定運行，易導致激冷室積灰，灰水管線磨蝕加快，有效工藝氣含量低，下降管損壞，出口工藝氣溫度高等現(xiàn)象。研究表明，德士古水煤漿氣化需選擇灰熔點低且粘溫特性曲線在灰熔點以上區(qū)域較平緩的煤種。

2.2 對SHELL工藝的影響

郭俊奇［5］等研究表明，如果煤渣的粘溫特性差，易造成殼牌氣化爐渣層過厚，導致工藝氣過熱和煤渣阻擋煤燒嘴火焰，損壞燒嘴；或渣層過薄，損害氣化爐水冷壁。柳州化工股份有限公司對SHELL氣化裝置運行情況進行了總結(jié)，結(jié)果表明，裝置對入爐煤的特性（主要是灰分）要求較嚴，煤種的灰分含量和成分構(gòu)成直接決定了氣化爐內(nèi)反應(yīng)溫度，但是由于缺乏有效的爐內(nèi)溫度監(jiān)測方法，僅靠合成氣成分和盤管產(chǎn)氣量的變化難以對煤質(zhì)變化造成的爐內(nèi)反應(yīng)溫度波動作出準確判斷和及時調(diào)整，相應(yīng)地容易出現(xiàn)積灰積垢、排渣堵塞、燒蝕水冷壁等問題。

目前，國內(nèi)運行的德士古、殼牌等液態(tài)排渣的氣化裝置，業(yè)主為了生產(chǎn)的穩(wěn)定，一般不采用灰渣粘溫特性差的原煤單燒，多在原煤供應(yīng)緊缺時與優(yōu)質(zhì)煤進行摻燒［6］。

3 灰渣粘溫特性差的原煤在航天粉煤加壓氣化裝置的應(yīng)用

魯西化工集團有限公司原料路線和動力結(jié)構(gòu)調(diào)整項目——年產(chǎn)300kt尿素工程氣化部分采用兩臺航天粉煤加壓氣化爐并列運行，配一套渣水系統(tǒng)并用的運行模式為后段系統(tǒng)供氣，氣化裝置不設(shè)備爐，對單套氣化爐的開工率要求較高。項目擬采用神華化工煤與當?shù)厍窦喊?∶1比例混配作為原料煤，其主要分析指標及灰渣粘溫特性如表1所示。由分析數(shù)據(jù)可知，配煤各熔融溫度間距拉開，灰分比例適中，在高于流動溫度150℃的操作溫度上，灰渣粘度適宜排渣，但隨溫度變化較快，粘溫特性較差，適宜操作溫度區(qū)間為1510～1540℃，操作彈性較小，對操作的要求較高。2011年10月1日，氣化爐一次投料成功，運行過程中因配煤裝置問題原煤摻混不均，出現(xiàn)過爐溫過高、波動等現(xiàn)象。因爐膛內(nèi)安裝了數(shù)個插入式和埋入式測溫點，并對盤管密度實時監(jiān)控，爐溫的變化能夠及時被發(fā)現(xiàn)，從而對氧煤比進行調(diào)節(jié)，及時穩(wěn)定爐況，避免超溫惡化，保證裝置穩(wěn)定運行。在投料初期，為配合變換、凈化、合成等后續(xù)系統(tǒng)的調(diào)試運行，氣化裝置采用60%～80%的輕負荷運行，主要運行參數(shù)如表2所示。各項數(shù)據(jù)表明，氣化裝置運行正常，原煤較差的粘溫特性對系統(tǒng)運行沒有明顯的影響。在系統(tǒng)全流程打通后，停車消缺，檢查發(fā)現(xiàn)渣水系統(tǒng)未出現(xiàn)磨蝕和堵塞，氣化爐內(nèi)部渣口、下降管、激冷室未發(fā)現(xiàn)積灰現(xiàn)象，水冷壁掛渣良好，但是能夠觀察到因爐溫波動帶來的渣層更新。

表1 配煤分析指標（神華、邱集3∶1配煤）

表2 氣化裝置運行參數(shù)

爐溫波動現(xiàn)象雖然能夠在運行中被及時發(fā)現(xiàn)并加以控制，但是在無形中提高了對操作的要求，也增加了氣化裝置的安全隱患。為避免該現(xiàn)象的再次發(fā)生，對系統(tǒng)進行了全面分析和檢查，發(fā)現(xiàn)主要為配煤裝置缺陷，造成混煤的均勻性差，導致入爐煤粉的煤質(zhì)波動，最終造成爐溫和氣化爐運行的波動。系統(tǒng)消缺時，因配煤系統(tǒng)無法短時間實現(xiàn)改進，且邱集煤供應(yīng)出現(xiàn)緊張，擬采用神華化工煤進行單燒嘗試。

3.1 試燒前準備

3.1.1 原煤分析

為給試燒提供足夠的理論依據(jù)，需對神華化工煤進行分析，其主要指標及灰渣粘溫特性如表3所示。相比于配煤，神華化工煤的粘溫特性更差，灰熔點較低，變形溫度、軟化溫度、流動溫度間距極小，灰渣粘度在5～25Pa·s時溫度僅為1208～1225℃，操作彈性更小，且很難保證在高于流動溫度100℃的溫度下運行操作。同時，根據(jù)程志強［7］等的研究，神華煤灰分含量低，煤灰熔點比較低，結(jié)渣率比較小，屬于不粘煤或弱粘煤，若爐膛溫度高于灰熔點幅度比較大，煤灰互相粘結(jié)的機會少，粘附能力和負重能力都比較小，使得氣化爐下降管和激冷室不易積灰，但也會造成水冷壁掛渣困難，渣層易脫落。

表3 神華化工煤配煤分析數(shù)據(jù)

3.1.2 氣化裝置準備

為保證試燒過程穩(wěn)定，在系統(tǒng)消缺完成后，使用混煤投料，提升至80%負荷后逐漸轉(zhuǎn)換，變?yōu)樯袢A化工煤單燒。試燒期間要求氣化聯(lián)鎖全部投用，氣化操作人員嚴密監(jiān)視渣口壓差、爐溫、水冷壁盤管水密度、氣體成分，觀察渣形、渣量的變化，并與中控及時聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)異常情況及時報告并作出相應(yīng)處理。分析化驗室配合，提高對合成氣、粗渣、濾餅、灰水取樣分析頻率。

3.2 試燒過程

神華化工煤單燒嘗試在氣化爐滿負荷下運行。換煤初期，采用低氧煤比運行，在裝置運行穩(wěn)定后逐漸加氧提溫，合成氣甲烷含量逐漸降低，粗渣和濾餅殘?zhí)己恐饾u降低，有效氣成分出現(xiàn)一個先升高后降低的過程，過程中氣化爐渣口壓差、灰水水質(zhì)未發(fā)現(xiàn)明顯變化。隨著氧煤比的提高，氣化爐部分爐膛測溫點及渣口壓差頻繁波動，觀察粗渣，發(fā)現(xiàn)片狀和塊狀渣，為氣化爐老渣出現(xiàn)脫落所致。根據(jù)煤量、氧量、煤質(zhì)及合成氣成分，經(jīng)驗計算爐溫為1270℃左右，雖基本達到了高于流動溫度50～100℃的理論適宜操作溫度，但因神華化工煤灰分較低，較高的操作溫度使合成氣中二氧化碳成分提高，有效氣成分降低。同時，因該溫度下灰渣粘度低于1Pa·s，氣化爐水冷壁掛渣困難，易造成渣層大面積脫落，存在極大的安全隱患。為保證氣化爐安全穩(wěn)定運行和較高的有效氣成分，降低氧煤比，尋找經(jīng)濟、安全、合適的操作溫度。經(jīng)過不斷嘗試，將有效氣成分最高時確定為操作溫度，經(jīng)驗計算爐溫為1210～1220℃，該溫度下灰渣粘度落在5～25Pa·s的粘度區(qū)間中，符合液態(tài)排渣氣化爐的要求。通過對兩種操作溫度下裝置運行參數(shù)的比較（如表4所示），發(fā)現(xiàn)在較低的操作溫度下，裝置氧耗低、有效氣成分高、灰水水質(zhì)相當，雖濾餅及粗渣殘?zhí)悸杂猩撸b置運行更為穩(wěn)定，更易于操作控制和減少設(shè)備損害。據(jù)此，確定神華化工煤單燒的基本操作條件，提高氣化爐負荷至100%～110%，氣化爐運行平穩(wěn)，遂轉(zhuǎn)入長周期運行嘗試。

表4 神華化工煤不同操作溫度下氣化裝置運行比較

3.3 長周期運行情況

魯西化工A、B兩套氣化爐自2011年11月轉(zhuǎn)為神華化工煤單燒長周期運行，氣化爐負荷110%～115%，運行狀況良好。截止到2012年7月31日，裝置運行穩(wěn)定，在保證煤質(zhì)穩(wěn)定的情況下，氣化爐未出現(xiàn)明顯波動，裝置最長連續(xù)運行136d（不間斷運行）。兩套裝置共停車12次，平均開工率91.33%，裝置運行記錄如表5所示。運行過程中因儀表故障、前后段系統(tǒng)故障、計劃檢修、誤操作等原因停車10次，占停車故障的83.3%。氣化裝置原因停車僅2次，A爐、B爐各一次，且為同一原因，即公用的渣水系統(tǒng)設(shè)備故障導致洗滌塔液位低低跳車。在9個月的運行周期中，長周期運行停車后，對裝置進行了系統(tǒng)檢查，檢查未發(fā)現(xiàn)氣化爐下降管、激冷室等出現(xiàn)積灰現(xiàn)象，氣化爐水冷壁掛渣以浮渣為主，牢固度較差，但水冷壁的耐火料和渣釘未出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。配套的渣水系統(tǒng)運行正常，灰水水質(zhì)正常，管道設(shè)備等未出現(xiàn)磨蝕，與優(yōu)質(zhì)煤運行相同。

表5 氣化爐停車次數(shù)統(tǒng)計（2011.11.1～2012.7.31）

2012年3月，魯西化工項目設(shè)計單位航天長征化學工程股份有限公司組織相關(guān)技術(shù)人員，選用神華化工煤作為考核煤種，對氣化裝置進行了72h性能考核，裝置性能及單位產(chǎn)品消耗如表6、表7所示。

表6 裝置性能考核表

表7 噸氨消耗考核表

考核結(jié)果表明，使用灰渣粘溫特性差的神華化工煤，能夠?qū)崿F(xiàn)氣化裝置的長周期穩(wěn)定運行，各項性能指標及消耗達到并優(yōu)于設(shè)計值。運行中，為保證裝置的穩(wěn)定和較高的有效氣成分，氣化爐控制在適宜溫度下運行，原煤的碳轉(zhuǎn)化率下降1～2個百分點。但是從綜合能耗和產(chǎn)品產(chǎn)量考慮，犧牲轉(zhuǎn)化率未造成任何成本的提高，其中，氧耗、煤耗等主要消耗均小于國內(nèi)外同行業(yè)的潔凈煤氣化技術(shù)。同時，在裝置投用后，系統(tǒng)所有開停車操作全部采用自動控制，裝置聯(lián)鎖投用率達到100%，能夠在2h內(nèi)完成從氣化裝置準備開車到送出合格合成氣的全部過程，有效降低了成本，體現(xiàn)了系統(tǒng)啟動快、操作簡便的技術(shù)優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

通過灰渣粘溫特性差的原煤在航天粉煤加壓氣化裝置中試燒和對裝置長周期運行的考察，得出如下結(jié)論。

（1）航天粉煤加壓氣化裝置能夠高效率、低能耗地實現(xiàn)灰渣粘溫特性差原煤的氣化，并保證氣化裝置操作簡單、易于控制，能夠?qū)崿F(xiàn)長周期、安全、穩(wěn)定運行，較其他潔凈煤氣化技術(shù)有一定的技術(shù)優(yōu)勢。

（2）對于航天爐這種液態(tài)排渣的氣化爐，當以灰渣粘溫特性差的原煤作為原料時，盡量以適合氣化爐液態(tài)排渣的灰渣粘度下的溫度作為氣化爐的操作溫度，即以灰渣粘度在5～25Pa·s對應(yīng)的溫度作為氣化爐的操作溫度，必要時以保證較高的有效氣成分和裝置穩(wěn)定運行為目的，避免因爐溫波動帶來的渣層脫落和其他安全隱患。

（3）灰渣粘溫特性差，導致操作彈性較小，安全隱患大，為保證裝置的穩(wěn)定運行，需確保原料煤煤質(zhì)的穩(wěn)定。

通過試燒，已經(jīng)證明了航天粉煤加壓氣化裝置在煤種適應(yīng)性上的有效，但是因神華化工煤本身灰分較低，灰渣粘結(jié)性較弱，對氣化裝置，特別是渣水系統(tǒng)的影響和沖擊較小，未發(fā)現(xiàn)在同類型氣化裝置中常出現(xiàn)的激冷室積灰、灰水管線磨蝕嚴重等現(xiàn)象。今后需要加強對高灰分、高灰熔點、灰渣粘溫特性差的原煤的應(yīng)用探索，擴大航天粉煤加壓氣化技術(shù)的煤種適用寬度。

［1］Patterson J H，Hurst H J.Ash and slag qualities of Australian bituminous coals for use in slagging gasifiers.Fuel，2000，79 （13）：1671～1678.

［2］Kondratiev A，Jak E.Predicting coal ash slag flow characteristics.Fuel，2001，80 （14）：1989～2000.

［3］劉鏡遠，車維新.合成氣工藝技術(shù)與設(shè)計手冊 ［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2002：211.

［4］曹芳賢，鄭寶祥.灰渣黏溫特性對液態(tài)排渣氣化爐運行的影響 ［J］.大氮肥.2002，25 （6）：369～372.

［5］郭俊奇，潘智爽.煤渣熔點與殼牌氣化爐優(yōu)化控制的關(guān)系［J］.大化科技，2008，（4）：16～18.

［6］宋文佳，唐黎華，朱學棟，等.Shell氣化爐中灰渣的熔融特性與流動特性 ［J］.化工學報，2009，87 （7）：1781～1786.

［7］程志強，李志宏.從實踐中認識灰熔點與結(jié)渣的關(guān)系 ［J］.西北電力技術(shù)，2001，29 （3）：51～52.