淺談水煤漿氣化爐用煤

馬遠彬

(兗礦魯南化工有限公司，山東滕州 277527)

兗礦魯南化工有限公司(以下簡稱兗礦魯化)現有2套甲醇共計500 kt/a的裝置、2套乙酸共計800 kt/a的裝置、2套尿素共計700 kt/a的裝置，采用水煤漿氣化技術，氣化爐用煤主要為陜西神木煤和本地精煤。水煤漿氣化爐工藝流程如圖1所示。

圖1 水煤漿氣化爐工藝流程

1 煤漿特性分析

煤、添加劑、工藝水按一定比例在球磨機中混合，研磨成一定粒度分布、質量分數約60%的水煤漿。水煤漿分析包括可磨性、粒度分布、濃度、黏度、流變性、穩定性、添加劑選擇等，工業分析包括水、灰、揮發分、固定碳、發熱量、灰熔點、灰成分等；影響煤漿制備的主要因素有水煤漿濃度、煤漿黏度、煤漿粒度分布等[1-2]。

1.1 水煤漿濃度

影響水煤漿濃度的因素有：①原料煤內水含量；②原料煤與工藝水、添加劑的添加比例。保持煤漿添加劑濃度的穩定，控制其有效成分的穩定。當添加劑中水分含量高時，應適當減少工藝水的添加量。當生產負荷發生變化時，原料煤、工藝水及添加劑加入量均應作相應的調整。

1.2 煤漿黏度

影響煤漿黏度的因素有：①煤漿粒度分布；②添加劑用量。當煤漿平均粒度偏細時，煤漿黏度會增大；當煤漿粒度分布偏粗時，煤漿黏度會降低。煤漿濃度增高時，煤漿黏度會隨之增高；當煤漿濃度降低時，煤漿黏度也會隨之降低。在一定范圍內，添加劑用量增加會降低煤漿黏度；添加劑用量減少會使煤漿黏度升高[3]。

1.3 煤漿粒度分布

影響煤漿粒度分布的主要因素有：①原料煤的硬度；②保證磨機內鋼球級配的合理性。原料煤的硬度大時，煤不易被磨細，導致入磨機原料煤粒度大，煤漿粒度變粗；反之，則煤漿粒度變細。生產中調整鋼球級配是調節煤漿粒度分布的主要手段。

2 煤灰的特性

灰分是煤中的無用形式成分，使其順利地以液態渣的形式排出是煤氣化技術的關鍵，灰分的含量和特性決定了氣化爐選型。煤中灰的特性決定了氣化爐選型，而不是用氣化爐去選擇用煤。

2.1 煤的灰分含量

水煤漿氣化中，煤中灰分每增加1%，氧耗增加0.7%～0.8%，煤耗增大1.4%～1.5%；其次，灰分含量增加使燒嘴和耐火磚的磨損加劇，使用壽命大大縮短，灰水、黑水中的固含量升高，系統管道、閥門、設備的磨損率等加大。同時，灰分含量高還帶來合成氣管線堵塞、水洗塔塔盤堵塞，造成帶水、蒸發熱水塔帶水、變換爐阻力增加等負面影響。

2.2 煤的灰熔點

灰熔點指固體燃料中的灰分達到一定溫度以后發生變形、軟化和熔融時的溫度。為使氣化爐順利排渣，通常氣化爐的操作溫度高于煤的灰熔點50～100 ℃為宜。若煤的灰熔點高，必須將氣化爐的操作溫度提高至煤的灰熔點以上，溫度提高使氣化爐耐火磚的使用壽命相應縮短，有效氣體成分降低。氣化爐的操作溫度每提高100 ℃，耐火磚的磨蝕速率增加3倍。

3 灰渣的黏溫特性

黏度是衡量流體流動性能的主要指標，要實現氣化溫度下灰渣以液態順利排出氣化爐，黏度應在合適的范圍之內，既要保證在耐火磚表面形成有效的灰渣保護層，又要保持一定的流動性。根據國內、外對液態排渣研究指出，水煤漿氣化爐黏度控制在25～30 Pa·s時，可實現順利排渣。

3.1 影響灰渣黏度的因素

煤灰主要礦物質成分是Al2O3、SiO2、MgO、K2O、Na2O等。Al2O3是灰渣熔點升高、黏度變差的主要成分，Al2O3含量越高，煤灰的流動溫度越高。SiO2是煤灰成分中含量最高的組分，使煤的灰熔融特性變差，黏度升高，但與CaO可以形成低熔點的物質，在一定范圍內添加CaO可以消弱對灰黏度的影響。CaO是降低灰熔點的組分，與SiO2形成低熔點的硅酸鹽，因而CaO是最常用助熔劑組分，其添加量應控制在與灰分之比為20%左右。Fe2O3也是降低灰熔點及灰渣黏度的組分，因為Fe2O3在還原氣氛下被H2或CO還原為FeO，FeO與灰渣中的SiO2和Al2O3形成低熔點的共熔物。試驗表明，Fe2O3含量每增加1%，煤灰的軟化溫度平均降低18 ℃。當K2O和Na2O含量增高時，煤灰熔融溫度顯著下降，其含量每增加l%，煤灰的流動溫度平均降低16 ℃。

3.2 操作溫度區間的確定

液態排渣要求操作溫度應高于灰熔融溫度FT。液態排渣必須順暢，熔渣黏度不能高于25 Pa·s，溫度不低于T25(T25指熔渣黏度為25 Pa·s 時的灰熔融溫度)，操作溫度低限應高于T25，即T25+ΔT(ΔT指熔渣在氣化爐內的溫降)。液態排渣應確保耐火磚或水冷壁安全，熔渣黏度不能低于3 Pa·s，溫度不高于T3(T3指熔渣黏度為3 Pa·s時的灰熔融溫度)。

操作溫度高限低于ΔT的選擇要考慮熔渣在爐內的溫降，煤灰與熔渣黏溫特性差異于T3，水煤漿爐T3選擇1 400 ℃，因此，水煤漿氣化操作溫度(T25+ΔT)→T3(1 400 ℃)。

4 金雞灘煤炭試燒情況

根據前期煤炭試驗分析數據，最終確定按照80%(質量分數，下同)金雞灘煤和20%鮑店煤混煤進行試燒[4-5]。此混煤的黏溫特性區間為1 209～1 347 ℃，此時既能液態順暢排渣，又避免了長期高溫對耐火磚的侵蝕，氣化爐的操作溫度應控制在1 270～1 310 ℃。金雞灘煤灰黏溫特性曲線如圖2所示，金雞灘混煤制漿的煤灰黏溫特性曲線如圖3所示。金雞灘混煤試燒工藝參數如表1所示。

圖2 金雞灘煤灰黏溫特性曲線

圖3 金雞灘混煤制漿的煤灰黏溫特性曲線

項 目煤漿濃度/%有效氣體積分數/%灰熔點/℃灰分質量分數/%渣中可燃物質量分數/%ABC爐ABC爐ABC爐ABC爐A爐B爐C爐金雞灘+鮑店(80%+20%)63.5980.54129011.705.811.562.5679.22126011.509.833.661.1879.08128011.8138.341.661.8979.18129013.226.78.161.4879.68122010.558.915.362.1279.77122010.885.030.8金雞灘+鮑店(85%+15%)61.9479.85121010.1719.536.425.861.4279.27127011.8316.713.727.662.6480.2812409.887.89.44.062.4180.3912109.814.07.626.462.6080.3012409.9816.611.923.563.0380.6712109.3212.614.926.7

本次試燒期間，氣化爐高爐溫操作，出現灰分含量升高、氣化爐渣口壓差較難控制、鎖斗壓差升高、氣化爐合成氣出口管線有積灰堵塞以及氣化爐阻力升高等問題，但整體效果還是比較理想，為配煤試燒邁出了關鍵的一步，達到了根據煤灰黏溫特性配煤的效果。

5 結語

水煤漿氣化爐用煤應選取易洗、低灰、高揮發分、低黏結性的煤種，一般具有以下特征：灰熔點在1 350 ℃以下，揮發分質量分數在25%以上，內水質量分數在10%以下，灰分質量分數在15%以下；發熱量越高越好，一般在23 MJ/kg以上，具有良好的可磨性和成漿性，上述指標是達到水煤漿氣化技術的最低要求。水煤漿氣化爐用煤最主要是以黏溫特性為主導，對不同煤種以改變煤灰組成、降低灰熔融溫度配煤并指導生產。

參考文獻

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[2] 范立明，原俊杰，趙新合.水煤漿加壓氣化原料用煤的選擇及更換[J].煤化工，2001(2)：46- 50.

[3] 張繼臻.優化配煤技術在水煤漿氣化中的應用[J].煤化工，2000(1)：41- 47.

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[5] 丁志堅，張運寶.多噴嘴水煤漿氣化爐用煤質量信息化管控平臺的建立及效果[J].化工設計通訊，2013(4)：67- 69.