淺析煤質管理對水煤漿氣化穩定運行的影響

曹真真,馬軍志,孟 雪,王洪營

(河南心連心化學工業集團股份有限公司，河南新鄉 453700)

1 前言

在加壓氣流床氣化工藝中，原料煤經過干法研磨或濕法研磨制成相應爐型的原料粉體或原料漿，通過輸送進入高溫高壓氣化爐，在純氧的條件下，發生氧化還原反應，生成相應的合成氣，供下游工段使用。不是所有的煤種都適合氣化反應，原料煤在預處理前需要通過工業分析、灰熔融性分析、灰分組分分析、成漿性分析、黏溫特性分析篩選，再按一定的配比制得合適的原料煤供生產使用。若對爐煤質不加控制，或者隨意更改指標，則會出現爐況波動現象，甚至導致系統停車。通過提升優化煤質管理措施，可以穩定氣化裝置運行，降低煤耗成本。

2 煤質波動對氣化操作的影響

水煤漿氣化常用的煤種以神府地區煤礦、蒙煤為主，少量摻燒山西煤[1]，整體控制指標：灰分質量分數為5%～15%，全水質量分數為8%～22%，揮發分質量分數為20%～37%，硫質量分數≤1%，固定碳質量分數為55%～65%；煤灰熔點≤1 250 ℃，煤灰黏度為2.5～25 Pa·s，對應操作溫度區間≥70 ℃;100 s-1剪切速率下，黏度小于1 000 mPa·s。在煤質開采、運輸過程中，由于煤層變化、摻混比例不穩定、摻燒未找到最佳配比，導致氣化爐入爐煤組分變化或不穩定，引起氣化燒嘴壓差波動、下降管堵塞、渣口壓差波動、合成氣組分下降或者波動大等問題。

2.1 氣化爐燒嘴壓差波動

行業內水煤漿氣化爐分為頂噴式氣化爐和四噴嘴氣化爐2種形式。頂噴式氣化爐的燒嘴壓差波動會直接影響渣口壓差波動；四噴嘴氣化爐的燒嘴壓差波動會導致燒嘴偏噴，從而加劇燒嘴燒蝕現象。實際生產中，四噴嘴氣化爐燒嘴壓差波動引起的表現如下：

(1) 燒嘴壓差頻繁波動時，燒嘴壁溫也同樣頻繁波動，從趨勢上看無規則比例關系。

(2) 燒嘴壓差波動趨勢會引起燒嘴冷卻水回水溫度的變化。當壓差波動逐漸增大時，回水溫度逐漸升高；當壓差趨于穩定時，回水溫度逐漸恢復正常，兩者成反比。

(3) 燒嘴壓差趨勢與氣化合成氣中CH4、CO的含量也存在一定的關系。當壓差出現波動時,CH4、CO含量也隨之波動。壓差波動引起燒嘴霧化不好，導致氧氣流量波動進而影響氣化爐內的溫度場，引起合成氣中CH4、CO含量變化。

(4) 通過對比燒嘴壓差波動期間的入爐煤質數據，發現煤質中灰分質量分數偏高，且黏溫特性波動較大。

2.2 渣口壓差波動

渣口壓差波動的直接原因是渣口不暢或堵塞，本質原因是氣化爐操作溫度與入爐煤灰熔融溫度不匹配。常規氣化爐溫度的控制原則是，在保證液態排渣的情況下盡可能維持較低的溫度。若入爐煤的灰熔點由低向高變化時，爐溫調整不及時，爐溫長時間低于所需的操作溫度，流動性不好的熔渣在爐壁和燃燒室錐底積累。當熔渣累積到一定程度后，在重力和氣體沖擊力的雙重影響下，熔渣沿著爐壁流向渣口，渣口壓差變大。同時,氣體在燃燒室停留時間分布發生變化，氣體成分會隨之改變。

2.3 下降管堵塞

作為激冷氣化流程的核心部件。同時,被安裝在激冷環的下方，對合成氣起到均勻降溫和水洗的作用。下降管常規的損傷表現為內部變形，而更嚴重的情況則是下降管堵塞。堵塞情況是因為入爐煤的黏溫特性較差，熔渣在通過下降管時，由于溫度下降，流動性變差，造成渣口處大量熔渣不能被及時排出，或者大量的熔渣堵塞下降管，導致合成氣氣體無法被正常排出。氣化爐托磚板測溫點溫度猛然由250 ℃升高至500 ℃左右，氣化爐鎖斗不穩定排渣，所排渣出現大塊或有較多玻璃絲的情況。

圖1為正常煤種黏度曲線圖。由圖1可知:該煤種的煤灰黏度在5～25 Pa·s時，對應的操作溫度為1 180～1 250 ℃，操作溫度區間為70 ℃。在溫度變化過程中，黏度曲線平緩。該類煤種氣化爐爐溫控制在1 270 ℃時，可以順利完成液態排渣過程。

圖1 正常煤種黏溫數據曲線圖

圖2為異常煤種黏溫特性曲線。由圖2可知:該煤種的煤灰黏度在5～25 Pa·s時，對應的操作溫度為1 365～1 385 ℃，操作溫度區間為20 ℃。在溫度變化過程中，曲線變化陡峭。該類煤種氣化爐爐溫需控制在1 450 ℃以上，方能完成液態排渣過程，且黏度隨溫度升高陡然上升。大量使用這類煤種，會給操作帶來較大困難，容易出現堵渣和渣口壓差波動現象。

圖2 異常煤種黏溫數據曲線圖

3 常規煤質管理措施

3.1 常規煤質分析

對于煤化工企業來說，常規煤種的基礎分析包括工業分析、元素分析、灰熔融性分析，以及發熱量、可磨性指數測定等。

(1) 工業分析

工業分析中關鍵指標為灰分、全水、內水、揮發分、固定碳，通過該分析可以基本判斷煤質的特性，是入爐煤分析的主要指標。

(2) 元素分析

元素分析一般在工藝包設計或氣化煤種更換進行工藝包測算時進行，通過分析可以獲得該煤種的硫含量、發熱量數據。該分析對氣化爐操作調節作用不大，故正常生產過程中，不經常分析。

(3) 灰分分析

礦物質是煤的重要組成部分，煤燃燒、氣化時，礦物質轉變成灰分[2]。研究學者指出，氣化用煤的煤灰熔融溫度、黏度等指標與煤灰的化學組成[3]有關。根據煤灰化學成分可對應得出煤灰熔融溫度。有經驗的單位可以根據灰渣的酸堿比、硅鋁比推測出煤灰的熔融特性，為操作提供依據。

(4) 煤灰熔融特性分析

煤灰熔融溫度[4]是氣化用煤的重要指標，準確測定煤灰熔融溫度對氣化用煤有重要意義。由于煤灰是復雜的混合物，沒有嚴格物理意義上的熔點，采用變形溫度(DT)、軟化溫度(ST)、半球溫度(HT)、流動溫度(FT)來描述其熔融過程的變化。

通過對入爐煤進行分析后，初步判斷是否符合標準，同時區別出不同礦區、不同煤種的特性。整理和提煉歷史分析數據，有助于總結入爐煤質操作手段。

3.2 用煤管理平臺的應用

區別于已知的配煤軟件、Lims系統等功能單一的軟件系統，智慧用煤管理平臺可以將煤炭運輸、儲存調研、煤質檢測等多種數據進行集中展示;同時，集配煤管理、試驗煤質分析數據管理、煤源采購管理、庫存管理等多項功能于一體。在整個智慧化用煤系統中，應用設計邏輯和算法最多的是配煤系統，該系統需要結合入爐煤質建立煤炭預測模型，通過神經元網絡算法、最小二乘法等回歸分析方法，找出灰分和灰渣熔融性的關系，預測配煤后煤質情況。配煤邏輯算法結構見圖3。

圖3 配煤邏輯算法結構圖

3.3 煤炭采購存儲管理

對所有煤化工企業來說,煤炭采購是關鍵環節，保證質優、供應穩定的碳源是基本要求。但受天氣、政策等因素導致煤源緊張、庫存不足等限制，企業為了連續生產，不得不采用臨時煤種進行試燒。因為調研和試燒論證不足，臨時替換煤種存在較大風險。同時,由于煤源緊張，還伴隨煤質評價、摻燒比例等過程管控能力的下滑，建議日常做好配煤方案研究和備選礦源儲備，做好相應的應急預案。企業要提高更換方案制定、煤種分析評價、摻燒混配監督、氣化裝置預警通報等環節的重視程度。

4 結語

煤化工企業進行煤質管理時，不單單是總結操作層面的經驗，還需要形成一套嚴格的管理辦法，涵蓋煤源拓展、供應商儲備、備用煤種論證、摻燒方案試驗、煤種快速切換、操作預警、應急預案及操作指導等環節，同時成立各種攻關小組進行過程管控，建立精細化的管理方案。總之，穩定的煤種品質是整個生產線安穩長滿優運行的基石。