潞安貧瘦煤配煤用于Shell氣化爐的應(yīng)用研究

付鵬兵， 郭志鵬, 張曉軍, 任玲兵

(潞安煤基清潔能源有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046000)

采用潞安高灰分、高灰熔點(diǎn)的貧瘦煤為主煤，制訂配煤方案，通過工業(yè)化試燒，得出了最佳配比，獲取了試燒數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了殼牌爐安全穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行，不僅擴(kuò)寬了殼牌爐的煤種適應(yīng)性，更延伸了貧瘦煤的化工用途。

配煤；殼牌氣化爐；液態(tài)排渣爐；貧瘦煤；Shell爐

引 言

殼牌粉煤氣化工藝是目前世界上較為先進(jìn)的煤氣化技術(shù)之一，與其他煤氣化工藝相比有其獨(dú)特的優(yōu)越性(如碳轉(zhuǎn)化率高、氧耗低、冷煤氣效率高、自動(dòng)化程度高、節(jié)能環(huán)保等)，但也有一定的局限性，其中，煤質(zhì)的選擇是制約煤氣化裝置能否穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行的關(guān)鍵，直接影響其安全操作和經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

山西潞安煤基清潔能源有限公司在建180萬t/a煤基費(fèi)托合成油品擬利用潞安本地豐富的煤炭資源，采用殼牌煤氣化工藝生產(chǎn)。本文選取潞安主產(chǎn)的貧瘦煤作為試驗(yàn)對(duì)象，通過煤質(zhì)分析和配煤研究及工業(yè)化試燒，找到潞安煤和殼牌爐的最佳結(jié)合，為該項(xiàng)目解決就地煤轉(zhuǎn)化和殼牌爐穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供依據(jù)。

1 潞安煤與殼牌入爐煤指標(biāo)差別

典型殼牌爐的入爐煤指標(biāo)要求和潞安主力煤種的煤質(zhì)指標(biāo)見表1。

從表1可以看出，潞安煤與殼牌爐入爐煤指標(biāo)差別主要集中在灰熔點(diǎn)和灰中硅鋁比上。

表1 殼牌氣化爐入爐煤指標(biāo)與潞安煤質(zhì)指標(biāo)對(duì)比

1.1 灰熔點(diǎn)

灰熔點(diǎn)決定了煤的氣化溫度。一般將煤種灰熔點(diǎn)控制在1 300 ℃～1 450 ℃，殼牌煤氣化裝置一般操作溫度高于灰熔點(diǎn)100 ℃～150 ℃。如果采用灰熔點(diǎn)較高的煤種，將會(huì)產(chǎn)生以下不利的影響：為了實(shí)現(xiàn)氣化爐的順利排渣，必須提高氣化爐的操作溫度，這將造成氧耗和煤耗增加，合成氣中的CO含量增加，有效氣組分降低;操作溫度提高后，水冷壁蒸汽產(chǎn)量增加，使氣化爐熱損失增加。同時(shí),激冷段及后工段熱負(fù)荷增加，對(duì)設(shè)備的使用壽命和后工段都有很大的影響。

為降低煤的灰熔點(diǎn)，通常采用添加助熔劑的方法。但添加助熔劑在降低灰熔點(diǎn)的同時(shí)，也產(chǎn)生以下不利影響：一方面,無效組分增加了氣化爐的運(yùn)行負(fù)荷，導(dǎo)致熱量損耗大，產(chǎn)氣率低。另一方面，氧化鈣含量越高氣化操作空間越小。氣化爐不易調(diào)節(jié)控制，難以穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 灰中硅鋁比

殼牌煤氣化是一種熔渣氣化工藝，采用液態(tài)排渣，以渣抗渣的原理。灰分的組成、煤灰黏度特性直接影響著殼牌煤氣化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。灰渣黏溫特性是指熔融灰渣的黏度與溫度的關(guān)系。熔融灰渣的黏度是熔渣的物理特性，煤種不同，渣的黏溫特性差異很大，有的煤種在一定溫度變化范圍內(nèi)其灰渣的黏度變化不大，也即對(duì)應(yīng)的氣體操作范圍寬，當(dāng)操作溫度偏離最佳值時(shí)，對(duì)氣化運(yùn)行影響不大；有的煤種當(dāng)溫度稍有變化時(shí)其灰渣的黏度變化比較劇烈，操作中應(yīng)予以特別注意，以防低溫下渣流不暢發(fā)生堵塞。可見，熔渣黏度對(duì)溫度變化不是十分敏感的煤種有利于氣化操作。

硅鋁比決定了渣的黏溫特性曲線，w(SiO2)/w(Al2O3)較低時(shí)，渣的黏溫特性差，液態(tài)渣在流動(dòng)過程中隨著溫度的降低，黏度直線上升，渣的流動(dòng)性減弱，大量的渣淤積在水冷壁渣口處導(dǎo)致渣口堵塞，影響裝置正常運(yùn)行。較高的硅鋁比可以使熔渣在較寬的溫度范圍內(nèi)保持良好的黏度和流動(dòng)性，從而可以增加氣化的操作空間，大大減少因溫度波動(dòng)造成的堵渣和跨渣現(xiàn)象[4]。因此，硅鋁比對(duì)于氣化爐的平穩(wěn)操作具有十分重要的意義，是進(jìn)行原煤選擇時(shí)

的最重要條件之一[4]。實(shí)際操作中一般選擇w(SiO2)/w(Al2O3)=2.0左右。

韓永振[3]、孫龍會(huì)[5]等指出，硅鋁比也是影響氣化爐合成氣冷卻器積灰的關(guān)鍵因素之一，較高的硅鋁比可有效地解決合成氣冷卻器的積灰問題。

2 混配方案確定

通過以上比較分析，本地潞安貧瘦煤灰含量達(dá)到25%，接近設(shè)計(jì)最大指標(biāo)，在高負(fù)荷工況下灰渣量大，排渣困難，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成堵渣；且灰熔點(diǎn)>1 550 ℃，要求氣化溫度非常高，硅鋁比較低，灰渣對(duì)溫度較敏感，操作空間很小，極易發(fā)生堵渣和跨渣的風(fēng)險(xiǎn)，因此無法作為單獨(dú)煤種用于殼牌爐入爐煤使用，需通過混配調(diào)整組分。

配煤技術(shù)基本原理是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(zhǎng)補(bǔ)短，使最終配出的混合煤在性能指標(biāo)上達(dá)到最佳狀態(tài)，以滿足用戶對(duì)煤的質(zhì)量要求。其工業(yè)分析等指標(biāo)符合線性相加的規(guī)律[6]，但其灰熔點(diǎn)由于不僅與煤灰的組分有關(guān)，還和組分間高溫下相互作用形成的共熔體有關(guān)，因此匹配性較差[7]，需實(shí)測(cè)。

2.1 輔煤的選擇

針對(duì)潞安煤高灰分、高灰熔點(diǎn)黏溫特性差的特點(diǎn)，在山西周邊地區(qū)進(jìn)行了調(diào)研，共取樣34個(gè)，經(jīng)檢測(cè)，神木B煤具有低灰分、低灰熔點(diǎn)、高活性的特點(diǎn)，B煤煤質(zhì)及試驗(yàn)用潞安A煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表2。

表2 試驗(yàn)用A煤和B煤的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

2.2 二元煤混配方案的制定

混配后的煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表3。

表3 混配后煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)表

與表1相比，以上3個(gè)配比在灰分和硅鋁比上都能滿足殼牌爐入爐煤指標(biāo)，但灰熔點(diǎn)>1 500 ℃，無法滿足要求。

混煤在不同石灰石添加比例下的灰熔點(diǎn)及采用殼牌專用軟件計(jì)算的操作空間見表4。

從表4中可以看出，添加2%～3%的石灰石即可滿足要求。為盡量縮小與之前所用煤種的差距，工業(yè)化試燒最終選擇A煤和B煤1∶1混合并添加3%石灰石方案。此時(shí)，T20為1 699 ℃、全液化溫度1 430 ℃，操作窗口269 ℃，操作溫度合理、操作范圍寬，燃燒應(yīng)該更平穩(wěn)，堵渣風(fēng)險(xiǎn)較低，入爐煤灰分達(dá)到18.27%，符合入爐煤標(biāo)準(zhǔn)。

表4 不同石灰石添加比例下的灰熔點(diǎn)和全液化溫度

3 工業(yè)化試燒過程及評(píng)價(jià)

采用A煤和B煤1∶1混合并添加3%石灰石方案，在國(guó)內(nèi)某廠日投煤量2 000 t的殼牌爐上進(jìn)行了工業(yè)化試燒。

3.1 試燒過程

3.1.1 氣化溫度控制

待磨煤系統(tǒng)啟動(dòng)后，約3.5 h，氣化爐工況有所變化，汽包小室蒸汽產(chǎn)量13FI1147與總蒸汽產(chǎn)量13FI0050開始緩慢上升，過熱蒸汽溫度13TIC0044開始緩慢下降。此表現(xiàn)主要因?yàn)樾旅夯曳指撸行С煞稚伲谘趺罕仍O(shè)定值不變的情況下，實(shí)際氧碳比在升高，爐溫在緩慢升高。此時(shí)，開始逐漸調(diào)整氧煤比設(shè)定值，由0.820左右開始緩慢下調(diào)。1 h后穩(wěn)定在0.793.

3.1.2 合成氣組分變化

合成氣成分在線分析顯示，CO2含量緩慢升高，CH4含量緩慢降低。此表現(xiàn)主要是新煤揮發(fā)分較高，同樣溫度下合成氣成分含量不同，與煤種關(guān)系較大。約3 h后，合成氣成分在線分析顯示基本穩(wěn)定，CO2體積分?jǐn)?shù)由1.91%升高至2.38%左右，CH4體積分?jǐn)?shù)由超量程(量程為250×10-6)降至120×10-6左右。

3.1.3 氣化爐有效氣負(fù)荷變化

變化煤種后，有效氣(H2+CO)負(fù)荷QC1300由換煤前95.5%左右下降至93.4%左右。為保持有效氣負(fù)荷，將O2量負(fù)荷由19.15 kg/s提高至19.40 kg/s。

3.1.4 氣化爐各壓差變化

1) 渣屏壓差13PDI0065上漲不明顯，由換煤前的0.77 kPa左右上漲至0.85 kPa左右，保持穩(wěn)定。觀察渣樣，顆粒均勻，稍有針狀，粉狀渣較少，表明爐內(nèi)運(yùn)行平穩(wěn)，控制合理。

2) 過熱段十字架壓差13PDI0077稍有上漲，由換煤前的6.55 kPa左右上漲至7.45 kPa左右，之后保持穩(wěn)定。

3) 氣化爐與冷卻器壓差13PDI0067稍有上漲，由換煤前的5.30 kPa左右上漲至5.95 kPa左右，后保持穩(wěn)定。

(注：運(yùn)行工程師根據(jù)氣化爐整體運(yùn)行工況，將激冷氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速提高100 r/min，提高至9 600 r/min。)

3.1.5 陶瓷過濾器壓差變化

陶瓷過濾器S1501壓差15PDI0002基本未變，保持在7.50 kPa左右。

3.1.6 氣化爐合成氣出口溫度變化

氣化爐合成氣出口溫度13TI0018有所下降，由換煤前的313 ℃左右下降至305 ℃左右，之后基本穩(wěn)定。

在經(jīng)過上述調(diào)整后，氣化爐運(yùn)行趨于平穩(wěn)，全程試燒共運(yùn)行10 d，破渣機(jī)未出現(xiàn)報(bào)警，排渣正常，S1501壓差正常。正常運(yùn)行后的主要參數(shù)見表5。

表5 工業(yè)化試燒主要運(yùn)行參數(shù)

3.2 試燒評(píng)價(jià)

表6可知，本次試燒各個(gè)工藝單元都能夠穩(wěn)定運(yùn)行，粗合成氣中有效合成氣中C含量比之前所用煤種略低；廢水中有害物質(zhì)含量合格率高。混配煤種能夠滿足殼牌煤氣化裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的要求。該煤種C轉(zhuǎn)化率較高，經(jīng)濟(jì)效益較好。

表6 不同混配煤使用情況比較

4 結(jié)論

采用潞安高灰分、高灰熔點(diǎn)的煤混配的新煤種，符合殼牌煤氣化裝置入爐煤的要求。配煤方法簡(jiǎn)單、操作性強(qiáng)、易于混配均勻，為當(dāng)?shù)孛壕偷剞D(zhuǎn)化高效利用打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

兩種煤混配可大幅降低石灰石用量，改善灰渣黏溫特性，優(yōu)化操作條件，降低能耗，提高經(jīng)濟(jì)性和安全性。

通過合理配煤，可充分發(fā)揮本地煤的成本優(yōu)勢(shì)，有效降低外購(gòu)煤價(jià)格和運(yùn)輸成本，保證煤質(zhì)長(zhǎng)期穩(wěn)定。

可逐步推廣應(yīng)用到國(guó)內(nèi)高灰分、高灰熔點(diǎn)、低硅鋁比煤種地區(qū)，引導(dǎo)當(dāng)?shù)仄髽I(yè)采用粉煤氣化工藝大力發(fā)展合成氨、烯烴、乙二醇、煤制氣、煤制油等現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)。

[1] 梁進(jìn)倉(cāng).多倫煤化工殼牌氣化爐開車運(yùn)行中的問題及處理[J].中氮肥,2013(2)：5-8.

[2] 胡益民.岳陽Shell粉煤氣化裝置運(yùn)行情況總結(jié)[J].大氮肥,2007，30(6)：420-426.

[3] 韓永振,郭肖選.關(guān)于殼牌煤氣化裝置配煤方案的研究[J].化肥設(shè)計(jì),2014(1)：24-26.

[4] 李剛.淺析煤組分對(duì)殼牌干煤粉氣化爐的影響[J].化肥設(shè)計(jì),2013(6)：35-37.

[5] 孫龍會(huì),張美美.淺談煤質(zhì)和配煤技術(shù)對(duì)Shell煤氣化的影響[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2014(31)：134.

[6] 曲景魁,何京東.動(dòng)力配煤主要煤質(zhì)指標(biāo)可加性的研究[J].黑龍江礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2000,10(3):17-19.

[7] 楊鑫,黃戒介,趙建濤,等.褐煤配入高熔點(diǎn)煤灰的灰熔點(diǎn)預(yù)測(cè)模型研究[J].化學(xué)工程,2012,40(10):80-84.