粘溫特性差的原煤在航天爐中的應用探索

王宏志，高 鑫，劉曉軍，焦子陽

（航天長征化學工程股份有限公司，北京 100176）

富煤、貧油、少氣的能源結構決定了我國在相當長的時期內要以煤作為主要的能源，我國煤炭資源的特點是高灰、高硫、高灰熔點、灰渣粘溫特性差的劣質煤所占比例較高。目前，國際上先進的氣流床潔凈煤氣化技術在國內得到了廣泛應用，但是因其技術上的局限性，灰渣粘溫特性差等劣質煤的應用還很少，對原料煤的需求還具有一定的選擇性。隨著我國經濟的快速發展，對能源的需求增長，優質煤消耗量大，價格不斷攀升，大力發展煤炭高效、潔凈利用技術，充分利用劣質原煤成為我國煤炭能源可持續發展的必由之路。航天粉煤加壓氣化技術作為我國首套擁有自主知識產權的潔凈煤氣化技術，具有裝置運行穩定、操作簡便、煤種適應性強等優勢。我們利用灰渣粘溫特性差的原煤在航天粉煤加壓氣化裝置中進行了生產實踐探索，并利用實踐結果指導生產，獲得了良好的效果。下面詳細介紹。

1 灰渣的粘溫特性

灰渣是由各種礦物組成的混合物，沒有確定的由固相轉為液相的熔融溫度，熔融過程通常有4個特征溫度，即變形溫度DT、軟化溫度ST、半球溫度HT、流動溫度FT，統稱為灰渣的熔融特性溫度，是確定氣化爐操作溫度的重要指標。但是這些指標僅能定性說明灰渣的熔化范圍，不能反映灰渣高溫熔化時的動態特性。而這一性質需通過灰渣粘溫特性表示。粘溫特性反映了灰渣粘度隨溫度變化的趨勢，溫度升高，灰渣的粘度降低。對于液態排渣的氣化爐，為維持煤灰的流動，保證氣化爐順利排渣，粘度應在5～25Pa·s之間，通常將粘度為25Pa·s所對應的溫度稱為氣化爐的最低排渣溫度［1～2］。所以，在確定氣流床氣化爐操作溫度和選擇煤種時，不僅要求操作溫度高于流動溫度50～100℃，以保證原煤較高的轉化率［3］，還要求在該溫度范圍內灰渣粘度適宜，變化緩慢。

2 灰渣粘溫特性對液態排渣氣化運行的影響

2.1 對德士古工藝的影響

曹芳賢［4］等對灰渣粘溫特性較差的原煤進行了生產試燒，總結了粘溫特性對德士古液態排渣氣化爐運行的影響。生產實踐表明，灰渣粘溫特性差的原煤，使氣化爐操作溫度高，爐磚損耗快，跳車頻繁，生產無法穩定運行，易導致激冷室積灰，灰水管線磨蝕加快，有效工藝氣含量低，下降管損壞，出口工藝氣溫度高等現象。研究表明，德士古水煤漿氣化需選擇灰熔點低且粘溫特性曲線在灰熔點以上區域較平緩的煤種。

2.2 對SHELL工藝的影響

郭俊奇［5］等研究表明，如果煤渣的粘溫特性差，易造成殼牌氣化爐渣層過厚，導致工藝氣過熱和煤渣阻擋煤燒嘴火焰，損壞燒嘴；或渣層過薄，損害氣化爐水冷壁。柳州化工股份有限公司對SHELL氣化裝置運行情況進行了總結，結果表明，裝置對入爐煤的特性（主要是灰分）要求較嚴，煤種的灰分含量和成分構成直接決定了氣化爐內反應溫度，但是由于缺乏有效的爐內溫度監測方法，僅靠合成氣成分和盤管產氣量的變化難以對煤質變化造成的爐內反應溫度波動作出準確判斷和及時調整，相應地容易出現積灰積垢、排渣堵塞、燒蝕水冷壁等問題。

目前，國內運行的德士古、殼牌等液態排渣的氣化裝置，業主為了生產的穩定，一般不采用灰渣粘溫特性差的原煤單燒，多在原煤供應緊缺時與優質煤進行摻燒［6］。

3 灰渣粘溫特性差的原煤在航天粉煤加壓氣化裝置的應用

魯西化工集團有限公司原料路線和動力結構調整項目——年產300kt尿素工程氣化部分采用兩臺航天粉煤加壓氣化爐并列運行，配一套渣水系統并用的運行模式為后段系統供氣，氣化裝置不設備爐，對單套氣化爐的開工率要求較高。項目擬采用神華化工煤與當地邱集煤按3∶1比例混配作為原料煤，其主要分析指標及灰渣粘溫特性如表1所示。由分析數據可知，配煤各熔融溫度間距拉開，灰分比例適中，在高于流動溫度150℃的操作溫度上，灰渣粘度適宜排渣，但隨溫度變化較快，粘溫特性較差，適宜操作溫度區間為1510～1540℃，操作彈性較小，對操作的要求較高。2011年10月1日，氣化爐一次投料成功，運行過程中因配煤裝置問題原煤摻混不均，出現過爐溫過高、波動等現象。因爐膛內安裝了數個插入式和埋入式測溫點，并對盤管密度實時監控，爐溫的變化能夠及時被發現，從而對氧煤比進行調節，及時穩定爐況，避免超溫惡化，保證裝置穩定運行。在投料初期，為配合變換、凈化、合成等后續系統的調試運行，氣化裝置采用60%～80%的輕負荷運行，主要運行參數如表2所示。各項數據表明，氣化裝置運行正常，原煤較差的粘溫特性對系統運行沒有明顯的影響。在系統全流程打通后，停車消缺，檢查發現渣水系統未出現磨蝕和堵塞，氣化爐內部渣口、下降管、激冷室未發現積灰現象，水冷壁掛渣良好，但是能夠觀察到因爐溫波動帶來的渣層更新。

表1 配煤分析指標（神華、邱集3∶1配煤）

表2 氣化裝置運行參數

爐溫波動現象雖然能夠在運行中被及時發現并加以控制，但是在無形中提高了對操作的要求，也增加了氣化裝置的安全隱患。為避免該現象的再次發生，對系統進行了全面分析和檢查，發現主要為配煤裝置缺陷，造成混煤的均勻性差，導致入爐煤粉的煤質波動，最終造成爐溫和氣化爐運行的波動。系統消缺時，因配煤系統無法短時間實現改進，且邱集煤供應出現緊張，擬采用神華化工煤進行單燒嘗試。

3.1 試燒前準備

3.1.1 原煤分析

為給試燒提供足夠的理論依據，需對神華化工煤進行分析，其主要指標及灰渣粘溫特性如表3所示。相比于配煤，神華化工煤的粘溫特性更差，灰熔點較低，變形溫度、軟化溫度、流動溫度間距極小，灰渣粘度在5～25Pa·s時溫度僅為1208～1225℃，操作彈性更小，且很難保證在高于流動溫度100℃的溫度下運行操作。同時，根據程志強［7］等的研究，神華煤灰分含量低，煤灰熔點比較低，結渣率比較小，屬于不粘煤或弱粘煤，若爐膛溫度高于灰熔點幅度比較大，煤灰互相粘結的機會少，粘附能力和負重能力都比較小，使得氣化爐下降管和激冷室不易積灰，但也會造成水冷壁掛渣困難，渣層易脫落。

表3 神華化工煤配煤分析數據

3.1.2 氣化裝置準備

為保證試燒過程穩定，在系統消缺完成后，使用混煤投料，提升至80%負荷后逐漸轉換，變為神華化工煤單燒。試燒期間要求氣化聯鎖全部投用，氣化操作人員嚴密監視渣口壓差、爐溫、水冷壁盤管水密度、氣體成分，觀察渣形、渣量的變化，并與中控及時聯系，發現異常情況及時報告并作出相應處理。分析化驗室配合，提高對合成氣、粗渣、濾餅、灰水取樣分析頻率。

3.2 試燒過程

神華化工煤單燒嘗試在氣化爐滿負荷下運行。換煤初期，采用低氧煤比運行，在裝置運行穩定后逐漸加氧提溫，合成氣甲烷含量逐漸降低，粗渣和濾餅殘碳含量逐漸降低，有效氣成分出現一個先升高后降低的過程，過程中氣化爐渣口壓差、灰水水質未發現明顯變化。隨著氧煤比的提高，氣化爐部分爐膛測溫點及渣口壓差頻繁波動，觀察粗渣，發現片狀和塊狀渣，為氣化爐老渣出現脫落所致。根據煤量、氧量、煤質及合成氣成分，經驗計算爐溫為1270℃左右，雖基本達到了高于流動溫度50～100℃的理論適宜操作溫度，但因神華化工煤灰分較低，較高的操作溫度使合成氣中二氧化碳成分提高，有效氣成分降低。同時，因該溫度下灰渣粘度低于1Pa·s，氣化爐水冷壁掛渣困難，易造成渣層大面積脫落，存在極大的安全隱患。為保證氣化爐安全穩定運行和較高的有效氣成分，降低氧煤比，尋找經濟、安全、合適的操作溫度。經過不斷嘗試，將有效氣成分最高時確定為操作溫度，經驗計算爐溫為1210～1220℃，該溫度下灰渣粘度落在5～25Pa·s的粘度區間中，符合液態排渣氣化爐的要求。通過對兩種操作溫度下裝置運行參數的比較（如表4所示），發現在較低的操作溫度下，裝置氧耗低、有效氣成分高、灰水水質相當，雖濾餅及粗渣殘碳略有升高，但裝置運行更為穩定，更易于操作控制和減少設備損害。據此，確定神華化工煤單燒的基本操作條件，提高氣化爐負荷至100%～110%，氣化爐運行平穩，遂轉入長周期運行嘗試。

表4 神華化工煤不同操作溫度下氣化裝置運行比較

3.3 長周期運行情況

魯西化工A、B兩套氣化爐自2011年11月轉為神華化工煤單燒長周期運行，氣化爐負荷110%～115%，運行狀況良好。截止到2012年7月31日，裝置運行穩定，在保證煤質穩定的情況下，氣化爐未出現明顯波動，裝置最長連續運行136d（不間斷運行）。兩套裝置共停車12次，平均開工率91.33%，裝置運行記錄如表5所示。運行過程中因儀表故障、前后段系統故障、計劃檢修、誤操作等原因停車10次，占停車故障的83.3%。氣化裝置原因停車僅2次，A爐、B爐各一次，且為同一原因，即公用的渣水系統設備故障導致洗滌塔液位低低跳車。在9個月的運行周期中，長周期運行停車后，對裝置進行了系統檢查，檢查未發現氣化爐下降管、激冷室等出現積灰現象，氣化爐水冷壁掛渣以浮渣為主，牢固度較差，但水冷壁的耐火料和渣釘未出現燒蝕現象。配套的渣水系統運行正常，灰水水質正常，管道設備等未出現磨蝕，與優質煤運行相同。

表5 氣化爐停車次數統計（2011.11.1～2012.7.31）

2012年3月，魯西化工項目設計單位航天長征化學工程股份有限公司組織相關技術人員，選用神華化工煤作為考核煤種，對氣化裝置進行了72h性能考核，裝置性能及單位產品消耗如表6、表7所示。

表6 裝置性能考核表

表7 噸氨消耗考核表

考核結果表明，使用灰渣粘溫特性差的神華化工煤，能夠實現氣化裝置的長周期穩定運行，各項性能指標及消耗達到并優于設計值。運行中，為保證裝置的穩定和較高的有效氣成分，氣化爐控制在適宜溫度下運行，原煤的碳轉化率下降1～2個百分點。但是從綜合能耗和產品產量考慮，犧牲轉化率未造成任何成本的提高，其中，氧耗、煤耗等主要消耗均小于國內外同行業的潔凈煤氣化技術。同時，在裝置投用后，系統所有開停車操作全部采用自動控制，裝置聯鎖投用率達到100%，能夠在2h內完成從氣化裝置準備開車到送出合格合成氣的全部過程，有效降低了成本，體現了系統啟動快、操作簡便的技術優勢。

4 結 論

通過灰渣粘溫特性差的原煤在航天粉煤加壓氣化裝置中試燒和對裝置長周期運行的考察，得出如下結論。

（1）航天粉煤加壓氣化裝置能夠高效率、低能耗地實現灰渣粘溫特性差原煤的氣化，并保證氣化裝置操作簡單、易于控制，能夠實現長周期、安全、穩定運行，較其他潔凈煤氣化技術有一定的技術優勢。

（2）對于航天爐這種液態排渣的氣化爐，當以灰渣粘溫特性差的原煤作為原料時，盡量以適合氣化爐液態排渣的灰渣粘度下的溫度作為氣化爐的操作溫度，即以灰渣粘度在5～25Pa·s對應的溫度作為氣化爐的操作溫度，必要時以保證較高的有效氣成分和裝置穩定運行為目的，避免因爐溫波動帶來的渣層脫落和其他安全隱患。

（3）灰渣粘溫特性差，導致操作彈性較小，安全隱患大，為保證裝置的穩定運行，需確保原料煤煤質的穩定。

通過試燒，已經證明了航天粉煤加壓氣化裝置在煤種適應性上的有效，但是因神華化工煤本身灰分較低，灰渣粘結性較弱，對氣化裝置，特別是渣水系統的影響和沖擊較小，未發現在同類型氣化裝置中常出現的激冷室積灰、灰水管線磨蝕嚴重等現象。今后需要加強對高灰分、高灰熔點、灰渣粘溫特性差的原煤的應用探索，擴大航天粉煤加壓氣化技術的煤種適用寬度。

［1］Patterson J H，Hurst H J.Ash and slag qualities of Australian bituminous coals for use in slagging gasifiers.Fuel，2000，79 （13）：1671～1678.

［2］Kondratiev A，Jak E.Predicting coal ash slag flow characteristics.Fuel，2001，80 （14）：1989～2000.

［3］劉鏡遠，車維新.合成氣工藝技術與設計手冊 ［M］.北京：化學工業出版社，2002：211.

［4］曹芳賢，鄭寶祥.灰渣黏溫特性對液態排渣氣化爐運行的影響 ［J］.大氮肥.2002，25 （6）：369～372.

［5］郭俊奇，潘智爽.煤渣熔點與殼牌氣化爐優化控制的關系［J］.大化科技，2008，（4）：16～18.

［6］宋文佳，唐黎華，朱學棟，等.Shell氣化爐中灰渣的熔融特性與流動特性 ［J］.化工學報，2009，87 （7）：1781～1786.

［7］程志強，李志宏.從實踐中認識灰熔點與結渣的關系 ［J］.西北電力技術，2001，29 （3）：51～52.