煤質(zhì)變化對水煤漿氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行的影響

＊楊會萍

（陜西神渭煤炭管道運(yùn)輸有限責(zé)任公司 陜西 714000）

水煤漿加壓氣化是指氧氣和原料水煤漿在高溫高壓條件下出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的過程。目前，水煤漿加壓氣化爐最常用液態(tài)熔融排渣方法，呈現(xiàn)出氣固產(chǎn)物共存狀態(tài)，經(jīng)過燃燒室下部的激冷室中，氣體產(chǎn)物經(jīng)過除塵和降溫操作后，被運(yùn)輸?shù)较掠喂ば颦h(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)凈化工作。同時(shí)，系統(tǒng)中所產(chǎn)生的大量黑水被直接注入到三級閃蒸系統(tǒng)和沉降系統(tǒng)中，主要目的是實(shí)現(xiàn)熱量回收和灰水再生。基于此，本文以甘肅華亭煤電股份有限公司煤制甲醇分公司為主要研究對象，來分析多元料漿汽化爐所使用的原料煤組分，合理利用Aspen Plus軟件來真實(shí)模擬多元料漿氣化爐，結(jié)合日常生產(chǎn)實(shí)際情況，來探究不同環(huán)節(jié)給氣化爐穩(wěn)定性帶來的影響[1]。

1.水煤漿氣化爐水工藝流程

（1）流程簡述。德士古煤氣化技術(shù)具有產(chǎn)氣品質(zhì)高、整體熱效率高、煤適應(yīng)性強(qiáng)等特征，但由于煤氣化裝置介質(zhì)過于復(fù)雜，不同損傷機(jī)制間相互影響，導(dǎo)致其經(jīng)常出現(xiàn)開裂、腐蝕等問題，給日常生產(chǎn)工作帶來嚴(yán)重影響。常用生產(chǎn)方法是將原料煤和水倒入濕式棒磨機(jī)中，將其研磨成質(zhì)量分?jǐn)?shù)在60%左右的水煤漿，再通過泵加壓后傳輸?shù)綒饣癄t中，和氣化爐空分裝置中的氧氣相互混合，在持續(xù)加壓條件下煤中碳物質(zhì)被氧化，從而生成各種氣體，如CO2、CO、CH4等氣體。這些氣體經(jīng)過激冷室水資源降溫后傳輸?shù)轿那鹄锵礈炱骱吞枷此校M(jìn)行二次洗滌除塵工作，粗煤氣被運(yùn)輸?shù)阶儞Q工段。

圖1 水煤漿氣化爐水工藝流程

（2）GE工藝燒嘴。GE工藝燒嘴（GE水煤漿氣化工藝燒嘴）是利用三流道外混式噴嘴，外環(huán)隙和中心管運(yùn)輸氧氣，中層環(huán)隙運(yùn)輸水煤漿。當(dāng)燒嘴在1350℃高溫環(huán)節(jié)下進(jìn)行工作時(shí)，為保證工藝燒嘴安全性，工作人員可在燒嘴上設(shè)置冷卻水盤管和頭部水夾套，避免高溫?fù)p壞燒嘴。燒嘴冷卻水分離罐利用低壓氮?dú)庾鳛镃O分析的載氣，通過放空管排到大氣中。同時(shí)，在放空管上安裝CO監(jiān)測器，實(shí)時(shí)檢測CO含量，判斷燒嘴是否被燒穿。

2.氣化爐渣口堵塞問題

在企業(yè)日常運(yùn)行過程中，由于原材料煤供應(yīng)穩(wěn)定性不足，再加上灰分占比達(dá)到16.6%，灰熔點(diǎn)溫度上升到1480℃，導(dǎo)致五臺水煤漿氣化爐均出現(xiàn)嚴(yán)重的堵渣問題。同時(shí)，在后期生產(chǎn)時(shí)，氣化爐內(nèi)部氧煤比通常處于500m3/m3，為確保氣化爐排渣工作能順利進(jìn)行，在原料煤煤質(zhì)出現(xiàn)波動時(shí)，工作人員應(yīng)將氧煤比控制在520～540m3/m3范圍內(nèi)，其中出口環(huán)節(jié)粗煤氣中甲烷含量降低（100～200）×10-6。從目前水煤漿氣化爐實(shí)際運(yùn)行情況來看，由于原料煤煤質(zhì)出現(xiàn)不同程度的波動，給工作人員日常管理帶來嚴(yán)重阻礙，主要原因是灰熔點(diǎn)和原料煤灰分相對較高，且有5臺機(jī)器在氣化爐渣口環(huán)節(jié)出現(xiàn)嚴(yán)重縮小問題，爐內(nèi)壓力過高，遠(yuǎn)超洗滌塔自身壓力，導(dǎo)致燒嘴法蘭經(jīng)常出現(xiàn)泄露問題。同時(shí)，在正常情況下氧氣壓力會處于穩(wěn)定狀態(tài)，一旦氣化爐中壓力大幅度增加，會降低氧煤比含量，從而影響到氣化爐的排渣功能，降低排渣口，給系統(tǒng)日常運(yùn)行效率帶來嚴(yán)重阻礙，導(dǎo)致工作人員不得不選擇提高氧煤比。針對該種情況，工作人員可將紅柳林煤應(yīng)用于德士古氣化爐中，其在國家煤炭戰(zhàn)略布局上屬于神東基地，屬特低-低硫、特低-低灰、特低磷、中高發(fā)熱量、高揮發(fā)份煤，粘溫曲線較好，有利于排渣和降低氧耗，操作彈性大、化學(xué)活性高。在灰分、工業(yè)分析固定碳、元素分析碳元素含量、灰熔點(diǎn)方面具有絕對的優(yōu)越性，而且內(nèi)水含量較低、灰成份CaO含量較高，有利于制漿濃度的提高和助熔劑用量的降低。其中Cl元素含量較高，不利于灰水系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行。紅柳林煤在灰分為8.10%～10.13%時(shí)，灰熔點(diǎn)穩(wěn)定在1240℃。

3.德士古氣化爐運(yùn)行不穩(wěn)定性因素分析

(1)GE工藝燒嘴對氣化爐運(yùn)行的影響

德士古燒嘴作為德士古煤氣化工藝的核心設(shè)備，氣化爐操作環(huán)境非常惡劣，很容易受到熱輻射、高溫環(huán)境、固體沖刷等因素影響，導(dǎo)致工藝噴嘴頭部出現(xiàn)龜裂問題，甚至被燒穿，需要工作人員對噴嘴進(jìn)行定期檢修。因此，工藝燒嘴壽命時(shí)氣化裝置運(yùn)行的重要因素，提高燒嘴使用壽命是各生產(chǎn)廠家的目標(biāo)。目前，影響其使用壽命因素主要包括燒嘴材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、煤的質(zhì)量等因素，工藝燒嘴要利用耐磨性好的材質(zhì)，要求其具備較強(qiáng)的耐高溫和抗氧化性能。硫作為影響燒嘴壽命的主要因素，煤中具有一定的硫元素，而燒嘴材質(zhì)中有鎳元素，一旦兩者處于高溫環(huán)境中會自動相互結(jié)合，從而生成硫化鎳，給燒嘴造成嚴(yán)重腐蝕。因此，工作人員要提高對原料煤中硫含量的控制力度，來降低腐蝕速度，減少換燒嘴的頻率。

(2)原料煤中水分含量對氣化爐運(yùn)行的影響

原料煤中的水分是由內(nèi)水和外水組成，外水含量高低和水煤漿制備過程有直接聯(lián)系，水煤比穩(wěn)定性控制難度系數(shù)較高，煤漿濃度波動幅度較高；內(nèi)水是不同煤相互結(jié)合的水分，其含量高低決定著水煤漿成漿性能。在日常生產(chǎn)過程中，工作人員將兩者水分結(jié)合體稱作全水，通常被作為控制水煤漿制備中水煤比的重要標(biāo)準(zhǔn)。一旦原料煤中全水?dāng)?shù)量超過標(biāo)準(zhǔn)值，很容易導(dǎo)致氣化工段煤倉原料煤產(chǎn)生架橋現(xiàn)象，原料煤因架橋問題無法及時(shí)傳輸?shù)侥ッ簷C(jī)，無形中降低水煤漿濃度，低濃度水煤漿在氣化爐中進(jìn)行水化反應(yīng)時(shí)，會消耗大量氧氣和熱量，導(dǎo)致氣化爐日常生產(chǎn)所需氣量嚴(yán)重不足。另外，也會出現(xiàn)過氧的問題，給氣化爐日常運(yùn)行埋下嚴(yán)重的安全隱患[2]。

(3)原料煤中灰分含量對氣化爐運(yùn)行的影響

①氣化工段氣化爐頻繁減負(fù)荷。根據(jù)多元料漿氣化工藝設(shè)計(jì)情況來看，氣化爐熔渣通常是利用液態(tài)形式進(jìn)行排渣，原煤灰分越高，在規(guī)定時(shí)間中經(jīng)過氣化爐渣口的灰渣量越大，為保證氣化爐運(yùn)行的穩(wěn)定性，氣化環(huán)節(jié)必須在原煤灰分過高條件下，對氣化爐進(jìn)行減負(fù)荷操作，還要提升氣化爐操作溫度和優(yōu)化熔渣粘溫性能，來提高氣化爐液態(tài)排渣的通暢性。根據(jù)專業(yè)人員調(diào)查發(fā)現(xiàn)，甘肅華亭煤電股份有限公司煤制甲醇分公司在2020年時(shí)，氣化爐由于原料煤灰分含量過高，所產(chǎn)生的高減負(fù)荷操作次數(shù)達(dá)到52次，其中氣化爐負(fù)荷降低到最低負(fù)荷次數(shù)為3次，減少公司精甲醇產(chǎn)量1200t。針對該種情況，工作人員為優(yōu)化熔渣粘溫特征，避免爐壁出現(xiàn)嚴(yán)重渣口堵塞、掛渣等現(xiàn)象，將氣化爐最高操作溫度上升到1380℃。

②氣化爐渣口堵塞。當(dāng)原料煤灰分超過標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，在氣化爐負(fù)荷情況下通過渣口的灰渣量大幅度增加，導(dǎo)致氣化爐渣口很容易出現(xiàn)堵塞問題，一旦渣口被堵塞，渣口壓力提升，不僅會出現(xiàn)燒嘴法蘭和氣化爐爐壁產(chǎn)生超溫現(xiàn)象，還會讓很多工藝氣組出現(xiàn)大幅度波動，甚至工藝氣指標(biāo)間歇性波動現(xiàn)象。如CO含量在38%～49%間波動、H2含量在31%～36%間波動，無形中增加后期合成裝置的工藝調(diào)整難度系數(shù)[3]。

(4)氣化工段設(shè)備頻發(fā)故障

如果原料煤灰分含量較高，很容易增加氣化灰渣數(shù)量、灰水中固含量、氣化黑水固含量等，不僅會提高各環(huán)節(jié)的磨損率，如閥門、灰水系統(tǒng)管理、黑水系統(tǒng)管道、設(shè)備等，甚至?xí)霈F(xiàn)管道堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致氣化爐停止運(yùn)行，明顯增加氣化爐粗渣排放系統(tǒng)設(shè)備的故障率，尤其是氣化工段撈渣機(jī)故障率最高。據(jù)調(diào)查，在2020年5月至6月因氣化爐粗渣數(shù)量過高，所引起的氣化工段撈渣機(jī)故障問題就達(dá)到5次，撈渣機(jī)電流出現(xiàn)報(bào)警次數(shù)有50次。同時(shí)，原煤灰分高會降低氣化爐爐磚的使用時(shí)間，工作人員要進(jìn)行提溫操作，來確保渣口的通暢性。但由于氣化爐操作溫度不斷提升，高溫氣體和熔渣會加強(qiáng)對氣化爐燃燒室耐火磚的磨損程度，從而縮短耐火磚日常使用年限，氣化爐操作溫度每提升100℃，耐火磚磨損速度增加兩倍。

(5)增加氣化反應(yīng)的煤耗和氧耗

雖然灰分在煤氣化時(shí)不會出現(xiàn)任何反應(yīng)，但需要處理煤在氧化反應(yīng)中所產(chǎn)生的熱量，讓灰分升溫融化。因此，工作人員利用Aspen Plus軟件對多元料漿氣化爐進(jìn)行真實(shí)模擬，在模擬過程中將進(jìn)入氣化爐水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在61%，氧氣溫度25℃，水煤漿進(jìn)料溫度50℃，氣化爐爐膛溫度長期控制在1300℃，增加1000kg干基煤中的灰分，全面分析每千標(biāo)方有效氣（H2+CO）的氧耗情況。經(jīng)過工作人員分析發(fā)現(xiàn)，每提高1%的原煤灰分，比氧耗會增加0.7%[4]。

(6)氣化工段產(chǎn)氣量降低，影響氣化轉(zhuǎn)換率

由于原料煤中灰分?jǐn)?shù)量不斷增加，很容易給反應(yīng)產(chǎn)物熱量傳遞、擴(kuò)散速度帶來不同程度的影響，嚴(yán)重阻礙原料煤固體表面和內(nèi)部固定碳?xì)饣磻?yīng)，導(dǎo)致氣化爐所產(chǎn)生的工藝氣量會不斷降低，從而影響到氣化轉(zhuǎn)化率。原料煤灰分和有效氣含量間的關(guān)系如表1所示。

表1 氣化原料煤灰分和有效氣含量的關(guān)系

工作人員基于Aspen Plus軟件對多元料漿氣化爐進(jìn)行真實(shí)模擬，在整個(gè)模擬中將氣化爐水煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在61%，氧氣溫度25℃，水煤漿進(jìn)料溫度50℃，氣化爐爐膛溫度長期控制在1300℃，增加1000kg干基煤中的灰分，全面分析每千標(biāo)方有效氣（H2+CO）的氧耗情況。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)每提高1%的原煤灰分，有效氣含量降低18.75kmol。

4.渣口堵塞情況的預(yù)防措施

(1)關(guān)注表面熱偶溫度

在日常工作中，工作人員要實(shí)時(shí)關(guān)注氣化爐表面的熱偶溫度，針對氣化爐表面溫度過高部位，通過探測系統(tǒng)測量鋪設(shè)在氣化爐殼體上部，測量溫度元件能探測出連續(xù)線路中最高溫度的溫度傳感器。同時(shí)，氣化爐表面熱偶溫度是由錐底溫度、拱頂溫度、筒體溫度三種類型組成，一旦煤灰熔點(diǎn)出現(xiàn)明顯提高，會影響到其流動性，加上氣化爐錐底環(huán)節(jié)溫度和地域其他兩個(gè)環(huán)節(jié)的溫度，所以當(dāng)煤灰流動到錐底環(huán)節(jié)時(shí)，會降低流動速度，形成堆積問題。在該種情況下，灰渣堆積環(huán)節(jié)會出現(xiàn)表面熱偶溫度大幅度降低問題，如果灰渣厚度累積到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值，會由于重力因素導(dǎo)致煤灰自然脫離錐底[6]。

(2)關(guān)注粗煤氣組分情況

原料煤漿和氧氣會經(jīng)過燒嘴進(jìn)入到氣化爐中，在特定環(huán)境下出現(xiàn)氣化反應(yīng)，從而產(chǎn)生有效氣，其含量通常要超過76%，成為粗合成氣。目前，氣化爐中煤炭出現(xiàn)反應(yīng)情況過于復(fù)雜，主要分為三個(gè)步驟：第一，煤熱裂解后揮發(fā)分燃燒，水分被快速蒸發(fā)掉，煤粉易出現(xiàn)熱裂解問題，且釋放出大量揮發(fā)分，上述兩種物質(zhì)在氧化劑作用下，能實(shí)現(xiàn)完全燃燒，釋放出大量熱量；第二，裂解產(chǎn)物氣化反應(yīng)。在裂解工作全部完成后，燒焦環(huán)節(jié)和氧氣出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，且其他部分和水蒸氣產(chǎn)生氣化反應(yīng)；第三，燒焦和水蒸氣、CO2出現(xiàn)氣化反應(yīng)，從而形成C0和H2物質(zhì)。同時(shí)，由于氣化爐渣口環(huán)節(jié)不斷縮小，水煤氣能停留在爐內(nèi)時(shí)間逐漸增加，且爐中日常反應(yīng)會出現(xiàn)不同程度的變化，無形中增加CO2的還原反應(yīng)和變換逆反應(yīng)，導(dǎo)致CO2氣體含量會出現(xiàn)持續(xù)降低現(xiàn)象。另外，下游系統(tǒng)中會因?yàn)槌霈F(xiàn)大量CO，導(dǎo)致H2含量和甲醇產(chǎn)量降低，部分CO氣體會在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)，從而提高甲醇合成壓力[7]。

5.總結(jié)

綜上所述，在日常生產(chǎn)過程中，原料煤質(zhì)量是控制氣化爐長期運(yùn)行的重要因素，因工作人員對煤質(zhì)掌握程度不足，在選擇汽化技術(shù)環(huán)節(jié)時(shí)忽略煤質(zhì)對汽化爐運(yùn)行的重要性，導(dǎo)致煤化工項(xiàng)目在后期投產(chǎn)后經(jīng)常初選影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題。因此，企業(yè)要提高對原料煤質(zhì)量的重視程度，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行實(shí)際情況制定合理的管理措施，將原料煤質(zhì)量控制在合理范圍內(nèi)，從而促進(jìn)相關(guān)企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。