水分對煤氣化的影響分析及對策

楊曉勤

(新疆宜化化工有限公司, 新疆昌吉 831700)

煤氣化作為一個重要的工藝過程，在煤的清潔高效利用上，具有不可替代的作用；而煤中所含水分，對煤氣化會產生非常顯著的影響。

新疆宜化化工有限公司(簡稱新疆宜化)位于新疆準東國家級經濟技術開發區，2018年10月開工建設3臺中國科學院工程熱物理研究所開發的投煤量為750 t/d的富氧循環流化床氣化爐。2020年9月6日氣化爐點火投運，以新疆準東五彩灣儲量豐富、成漿性差、黏溫特性不理想、高鈉鉀含量的不粘煤為原料，為40萬t合成氨、60萬t尿素的升級改造作為氣頭平衡配套，實現了穩定供氣。但在運行過程中，發現煤氣成分、耗煤質量、耗氧體積、粉煤灰產生量，均偏離設計較多，筆者試著從水分的影響方面來加以分析。

1 設計和運行情況

所用煤種分析數據見表1。

表1 煤種分析數據

設計用煤粒度為0～10 mm、1 000 m3有效氣(CO+H2)煤耗為776 kg、氧耗為177 m3、產粉煤灰質量為77.8 kg。單爐產有效氣(CO+H2)體積流量為40 000 m3/h，干基氣體成分見表2。

表2 設計干基氣體成分

實際運行用煤粒度為20～40 mm、比煤耗為1 170 kg/km3、比氧耗為216 m3/km3、產粉煤灰質量為173.3 kg/km3。單爐產有效氣體積流量為36 057 m3/h，最佳干基氣體成分見表3。

表3 運行最佳干基氣體成分

由表2、表3可見，實際運行值與設計值存在較大的偏差。分析原因，主要是進爐煤的水分產生了較大的影響。

2 水分對熱平衡的影響

煤中所含水分在常溫下(如25 ℃)入爐，要達到945 ℃的反應溫度，需要吸收熱量。

查得25 ℃水的焓為104.84 kJ/kg，945 ℃反應溫度下蒸汽的焓為4 507.20 kJ/kg，進入氣化爐的水達到反應溫度需吸收熱量4 402.36 kJ/kg。

如采取粉煤加壓氣化通用的做法，即將入爐煤含水率(質量分數，下同)降到2%以下[1]，以實際噸氨煤耗2.515 t計，噸氨可減少入爐水分0.508 t，噸氨減少水分吸熱量2 237 MJ。以理想狀況計算，這部分熱量靠碳與氧反應生成二氧化碳放出來[2]：

(1)

根據式(1)，消耗1 m3氧氣，產生熱量17.594 MJ。則當入爐煤水分質量分數從21.8%降到2%時，噸氨少耗氧127 m3，折比氧耗59 m3/km3，實際的比氧耗可達到157 m3/km3，將優于設計值。

同樣的，消耗1 kg碳，產生熱量32.84 MJ。則當入爐煤水分質量分數從21.8%降到2%時，噸氨少耗碳68.12 kg，原料煤含碳質量分數為57%，則噸氨煤耗質量可降低120 kg。

3 水分對煤粉化率的影響

含水的煤進入氣化爐，因水汽化，將發生劇烈膨脹，使煤在瞬間爆裂，影響熱穩定性，并大幅增加粉化率，增加粉煤灰的后帶，增加煤耗和粉煤灰處理難度。

1 kg水汽化為蒸汽的體積為1.244 m3。新疆宜化所在區域大氣壓力為92 kPa，氣化爐反應壓力為23 kPa，在945 ℃下，1 kg水汽化為蒸汽的體積為4.89 m3。

所用原料煤的堆密度為0.85 t/m3。單爐進煤質量流量為42.2 t/h，即11.7 kg/s,折體積流量為0.013 8 m3/s。

帶水質量流量為9.2 t/h，即2.554 kg/s，折體積流量為12.489 m3/s。

這就是說，含水率為21.8%的煤，在進入945 ℃爐溫的氣化爐后，在1 s內體積膨脹905倍，使煤瞬間爆裂，產生大量細煤粉，隨氣流帶入后工序。在除塵單元細煤粉被分離出來，大大增加了除塵和輸灰的難度，同時也大幅增加了耗煤質量。因為這部分高溫煤灰帶熱，又反過來需要碳和氧反應補充熱量，增加耗煤質量和耗氧體積。

為了對這一計算進行驗證，新疆宜化安排分化中心人員對粒度為50 mm的原料煤在50 ℃、80 ℃、100 ℃、120 ℃、150 ℃烘箱內烘干和進850 ℃馬弗爐的情況進行了實驗。結果顯示，在150 ℃以下的溫度下烘干水分，煤的形態沒有發生改變，而在850 ℃的馬弗爐內，煤瞬間產生了大量裂紋。見圖1～4。

圖1 150 ℃烘干前原煤

圖2 150 ℃烘干后煤的形態

圖3 850 ℃烘干前原煤

圖4 850 ℃烘干后煤的形態

若粉煤灰后帶量降低到設計值，則噸氨耗煤質量將下降205 kg。205 kg高溫帶灰，取比熱容為0.92kJ/(kg·K)[3]，則噸氨帶走熱量173.5 MJ。

這部分熱量使噸氨多耗氧體積10 m3，折比氧耗4.6 m3/km3。噸氨多耗碳5.3 kg，噸氨多耗煤質量9.3 kg。

總體來說，降低粉化率可使噸氨降低耗氧體積10 m3、降低耗煤質量214 kg。

4 原煤預烘干辦法

將原料煤預烘干，有不少的辦法[4]，如滾筒干燥機、管式干燥機、灑落式干燥機、螺旋干燥機、干燥磨煤機等。

對于褐煤、次煙煤等煤種，澤瑪克(ZEMAG)的蒸汽管式干燥機具有較好的效果。

如果能將原煤水分質量分數從21.8%預烘干到2%，則噸氨可降低入爐原煤帶水質量508 kg，降低入爐耗煤質量。

5 結語

煤中的水分能從熱平衡、煤粉化率(熱穩定性)、物料平衡3個方面對煤氣化產生很大的影響，新疆宜化采用富氧循環流化床工藝對新疆準東五彩灣不粘煤成功實施了煤氣化，但入爐21.8%的原煤水分，使氣化結果偏離了設計值。

如果能采取預干燥措施，降低入爐煤中的水分質量分數至2%，經理論分析和計算，噸氨熱平衡降低耗煤質量120 kg、降低耗氧體積127 m3，粉化率(熱穩定性)降低耗煤質量214 kg、降低耗氧體積10 m3，物料平衡降低耗煤質量508 kg，總體噸氨降低耗煤質量842 kg、降低耗氧體積137 m3。可使比煤耗降低到778 kg/km3、比氧耗降低到152 m3/km3。因此，可選擇澤瑪克(ZEMAG)的管式干燥機對準東五彩灣的不粘煤實施預干燥，然后再進行煤氣化。