SYCTC-1項目水煤漿氣化原料煤存在問題分析及解決措施

摘要：不同煤質灰的粘溫特性往往決定了水煤漿氣化爐是否正常運行，為了研究西灣2-2煤和大保當煤是否可以作為SYCTC-1項目氣化爐的原料煤，通過酸堿比計算數據、粘溫特性分析及氣化爐試燒，發現西灣礦2-2煤、大保當礦2-2煤粘溫特性差不適合水煤漿氣化，大保當礦3-1煤、4-3煤、5-3煤、5-4煤滿足氣化用煤要求;對于粘溫特性和酸堿比不合適的煤，提出了解決措施：西灣2-2煤摻配10%榆家梁4-3煤，大保當2-2煤配大保當4-4煤摻配比例約為20%，煤灰的粘溫特性好，氣化爐操作窗口大大增寬，有利于氣化爐的穩定運行。

關鍵詞：水煤漿;堵渣;原料煤;粘溫特性;措施

中圖分類號：TQ534??文獻標識碼：B

1 前言

神華榆林循環經濟煤炭綜合利用項目（簡稱“CTC”項目），發揮神華煤化工項目規?；?、一體化、基地化布局優勢，擬先期建設神華榆林循環經濟煤炭綜合利用項目第一階段（簡稱SYCTC-1項目）180萬噸/年煤制甲醇聯產40萬噸/年乙二醇。由空分、煤氣化、變換、酸性氣體脫除、甲醇合成、硫磺回收和乙二醇等工藝裝置和配套的公用工程、輔助設施組成。其中公用工程、輔助設施和甲醇下游加工項目緊密結合，兩個項目在生產管理上合為一體。

SYCTC-1項目煤氣化工藝選用GE水煤漿氣化工藝，氣化爐采用51 m³大尺寸激冷氣化爐，燃燒室直徑3.8米，激冷室直徑4.6米，五臺爐，三開兩備，單臺爐日投干煤煤量3000噸，采用6.5 MPa（G）的氣化壓力、濕法制水煤漿、激冷流程、采用四級閃蒸來處理氣化黑水。為甲醇裝置和乙二醇裝置提供原料氣，有效氣（CO+H₂）產量6.58×10⁵Nm³/h，設計生產1000 Nm³有效氣（CO+H₂）原料煤耗（干基）不超過599 kg，純氧氣消耗不超過393 Nm³。

SYCTC-1項目氣化原料煤選用陜西省陜北侏羅紀煤田榆神礦區當地大保當、西灣煤，由于大保當煤開采時間稍晚，開采前過渡期使用西灣煤。在裝置建設開車前，不同煤種對氣化爐的正常運行影響至關重要。

2 水煤漿氣化對原料煤的要求及影響因素

作為水煤漿加壓氣流床氣化的原料煤，直接影響著氣化性能、以及氣化裝置運行的穩定性。對于氣化用原料煤的影響因素非常多，主要有煤的灰分含量、煤渣的熔融特性、煤灰的粘溫特性、揮發分、內水含量等。

煤的灰分增加，氧耗和煤耗均增加，燒嘴和耐火磚的磨損加劇，壽命縮短，氣化黑水和灰水中固含量升高，管線、閥門及設備磨損增加。

灰渣的粘溫特性決定氣化爐的操作溫度，并影響耐火磚的壽命、排渣及氣化黑水和灰水中的固含量等。若粘溫特性較差，液態渣在流動過程中，隨溫度降低，粘度上升，流動性減慢，從而形成掛渣，堵塞渣口。較快的氣流速度容易將液態灰渣拉成玻璃絲狀，給停工檢修帶來較大困難^[1-4]。

3 氣化原料煤存在問題及分析

3.1 氣化原料煤存在問題

在神木化工一期日投煤1000噸氣化裝置（單爐日處理煤量500噸）試燒西灣煤10日，來檢測西灣煤的氣化效果。由于試燒期間西灣煤煤質波動大、粘溫特性差，即使在操作溫度偏高的情況下，2#、3#氣化爐渣口仍頻繁堵塞，渣口壓差由正常0.01 MPa～0.02 MPa上升到0.07 MPa，最大達到0.1 MPa。合成氣組成受渣口壓差影響波動較大，CO含量由44%上升到51.5%，CO₂含量由19%降到16%。氣化爐排渣出現大塊渣并有拉絲現象，鎖斗收渣不暢。

為了降低渣口壓差和順利排渣，需提高氣化爐的操作溫度，將氧煤比由510左右提高到545左右，爐溫由1300℃逐漸提高，甚至超過1400℃。對氣化爐進行多次降負荷調整操作后，這種現象仍未得到緩解。

為了緩解氣化爐渣口頻繁堵塞現象，將西灣煤和錦界煤按1：1配比進行配煤摻燒，摻燒錦界煤后，氣化爐渣口堵塞現象未出現明顯的好轉。隨后氣化爐用煤全部切換為錦界煤，3#氣化爐基本恢復正常，2#爐一直未恢復正常，氣化爐停車檢修。

3.2 主要原因分析

試燒西灣2-2煤前，神木化工氣化裝置一直使用錦界3-1煤，氣化爐的運行狀況良好。試燒西灣2-2煤期間出現上述現象導致氣化爐無法正常運行，主要原因是西灣2-2煤的粘溫特性較差導致的。西灣2-2煤粘溫特性曲線見圖1。

氣化爐正常運行時對于熔渣粘度有一定的要求，一般為25 Pa·s左右。由圖1可以看出，在較低的氣化溫度時，西灣2-2煤的粘溫特性曲線較陡，在稍高的氣化溫度后，西灣2-2煤的粘溫特性曲線才變得緩和。西灣2-2煤熔渣粘度10～50 Pa·s對應的溫度范圍為1180～1192℃，溫度差只有12℃，操作范圍比較窄，氣化爐膛溫度發生小的梯度變化，將使熔渣的粘度急劇變化，導致渣口收縮，引起渣口壓差上漲現象。當熔渣流動到渣口下方時，溫度會稍有下降，熔渣流動性急劇下降，導致熔渣堵塞渣口下方或下降管。嚴重影響到氣化爐的正常運行，燒壞下降管、激冷環并造成堵塞，損壞設備，大大提高了生產操作難度和運行風險。而且這種現象是通過操作不可恢復的，只能通過停車檢修以消除。

對于煤灰而言，其溫度越高粘度越低，灰渣的流動性就越好。由于存在熱量損失，氣化爐爐膛溫度一般高于渣口處溫度，兩者溫差一般在20～30 ℃，灰渣熔融流動性較好，渣口處下渣順暢^[3]。氣化爐是否堵渣與灰渣的粘溫特性有直接關系，若能將粘溫特性控制在一定范圍內，使得熔渣具有較好的流動性，就能實現氣化爐不堵渣長周期運行。

錦界3-1煤粘溫特性曲線見圖2。由圖1和圖2可以看出，錦界3-1煤的粘溫曲線相對于西灣2-2煤來說，就較平緩。錦界3-1煤的熔渣粘度在10～50 Pa·s時對應的氣化溫度范圍為1230～1290℃，溫度差達到60℃，氣化爐溫度的操作窗口相對較寬，氣化爐運行相對穩定，與神木化工使用錦界煤時氣化爐的運行狀況良好是吻合的。

煤灰的粘溫特性與煤灰組成有關，每種組分的比例對粘溫特性的影響是不同的。為了表示煤灰組成對粘溫特性的影響程度，粗略判斷反應灰渣粘溫特性的趨勢，用煤灰組成中酸性組分與堿性組分的比值來表示。不同煤種的煤灰組成見表1。

從表1可以看出，西灣2-2煤、錦界3-1煤、榆樹灣2-2煤的煤質分析可看出，西灣2-2煤的煤質與榆樹灣2-2煤比較接近;西灣2-2煤的煤灰酸堿比為0.92，榆樹灣2-2煤的煤灰酸堿比只有0.77，錦界3-1煤的煤灰酸堿比為3.72。西灣2-2煤的煤灰酸堿比與榆樹灣2-2煤接近，而錦界3-1煤呈現較高的煤灰酸堿比，這主要是因為錦界3-1煤的煤灰中酸性物質氧化硅和氧化鋁含量高，而堿性物質氧化鐵和氧化鈣含量較少導致的。

榆樹灣2-2煤，煤灰酸堿比只有0.77，某公司開車初期氣化爐渣口頻繁堵塞，下降管、激冷環頻繁燒毀，裝置長時間無法正常運行。經過煤質分析研究發現煤的粘溫特性存在問題，經過配沙改善煤灰酸堿比到1.4左右，改善粘溫特性后氣化爐才實現正常運行。

榆樹灣礦、西灣礦、大保當礦處于相鄰位置，屬陜西省陜北侏羅紀煤田榆神礦區，榆神礦區構造簡單，主要可采煤層穩定，以長焰煤和不粘煤為主;有2-2、3-1、4-3、5-3等煤層可開采。2-2、3-1、4-3、5-3煤層穩定，為全區可采煤層，且2-2煤層為全區可采煤層中厚度最大的煤層，平均厚度8～11.14 m。

結合表1，榆樹灣2-2煤和西灣2-2、大保當2-2煤工業分析、元素分析、煤灰組成等都非常接近，煤灰酸堿比都偏小，所以這幾種煤都會存在粘溫特性較差的問題。

因此，若使用西灣2-2煤、大保當2-2煤作為氣化原料煤時，需要通過調整煤灰組成以改善煤灰的渣粘溫特性，使氣化爐操作窗口的溫度范圍增寬到合理區間。

4 不同煤質的解決措施

4.1 西灣煤的解決措施

針對西灣2-2煤，考慮通過用不同煤質的煤相摻配的措施來改善煤灰的粘溫特性。根據經驗粗略判斷煤灰的酸堿比目標值控制在1.5左右比較合理。由于鍋爐燃料煤使用錦界3-1煤，如用錦界3-1煤摻配便于操作和管理。經計算西灣煤配錦界煤摻配比例為30%時，灰分8.4%，酸堿比1.63，方案比較合理，年需摻配錦界煤100萬噸左右。由于錦界煤灰分較低（約12%），摻配比例大，受運輸條件和煤礦供應的限制，這種摻配比實際是不可行的。

若想降低摻配錦界3-1煤的比例、減少運輸量，需要尋找周邊高灰分、高酸堿比的煤作為摻配煤種。為此，對周邊榆家梁煤礦、保德礦等5個礦井煤質情況進行了現場調查和煤質化驗結分析。本著就近原則，經煤質化驗分析，認為榆家梁礦4-3煤比較合適。

榆家梁礦4-3煤質分析數據見表3。從表3可以看出，榆家梁礦4-3煤灰分為28.23%，酸堿比為5.13，滿足高灰分、高酸堿比的要求。

西灣2-2煤與榆家梁4-3煤摻配表見表4。從表4中可以看出，西灣2-2煤摻配榆家梁4-3煤比例為10%時，灰分8.7%，酸堿比1.49，這種摻配方案比較合理，年需摻配榆家梁4-3煤33萬噸左右。

由于煤灰酸堿比差異很大，且每種煤灰組分對粘溫特性的影響都不同。所以，在確定大致的摻燒比例后還需進行實驗室分析驗證，根據實際粘溫特性曲線，最終確定摻配比例。由圖3知西灣2-2煤摻配10%榆家梁4-3煤粘溫特性分析，熔渣粘度10～50Pa·s時對應的溫度差值約為100℃，氣化爐操作窗口較寬，有利于氣化爐的穩定運行。

4.2 大保當煤的解決措施

大保當各煤層灰渣組成平均數據見表5。由表5灰渣組成得數據中，可以大致判斷3-1煤層、4-3煤層、5-3煤層、5-4煤層可以滿足氣化要求，少數區域煤層的煤需要配煤，如大保當2-2煤和4-4煤。

大保當2-2煤層酸堿比為1.0，比氣化爐正常操作時的酸堿比較小，且粘溫特性差，而大保當4-4煤酸堿比9.6，則較高，而灰熔點高不利于氣化。為了達到氣化爐正常運行所需要的煤質要求，可將2-2煤與4-4煤摻配互補。當大保當2-2煤配大保當4-4煤摻配比例約為20%時，灰分為8.08%，酸堿比為1.59，這種摻配方案比較合理，年需摻配大保當4-4煤約66萬噸左右。

5 結論

為了研究西灣2-2煤和大保當煤是否可以作為SYCTC-1項目氣化爐的原料煤，通過在神木化工氣化爐上試燒，發現兩種煤質差別較大，而不同煤質灰渣的粘溫特性往往決定了氣化爐是否正常運行，通過試燒，給出了西灣2-2煤和大保當煤的解決措施，并得出結論如下：

（1）從西灣2-2煤質分析和神木化工的試燒情況看，西灣煤煤質波動較大，煤灰分偏低、煤灰酸堿比偏低、粘溫特性差、操作溫度窗口過窄，氣化爐不能正常運行。要實現氣化爐正常運行，可以采取配煤的措施，適當提高灰分、提高酸堿比、改善粘溫特性、增寬操作溫度窗口。西灣2-2煤摻配10%榆家梁4-3煤方案較為合理，煤灰的粘溫特性好，熔渣粘度10-50Pa·s之間對應的溫度差值從摻配前12℃提高到100℃，氣化爐操作窗口大大增寬，有利于氣化爐的穩定運行。而配煤設施在設計時留有余量，按20%的氣化用煤量進行設計。

（2）大保當礦3-1煤層、4-3煤層、5-3煤層、5-4煤層滿足氣化用煤要求，大保當2-2煤配大保當4-4煤摻配比例約為20%，可滿足氣化用煤要求。

（3）使用西灣2-2煤作為氣化原料煤，需要解決摻配煤種的煤源問題。在大保當煤礦能夠正常供應原料煤前，氣化原料煤采用西灣2-2煤與榆家梁4-3煤摻配的方式來供煤。

參考文獻

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作者簡介：馮長志，男，1980年出生，陜西渭南人，畢業于西安科技大學，本科，工程師，從事煤化工技術管理工作。

（作者單位：神華榆林能源化工有限公司）