高灰分、高灰熔點煙煤在水煤漿氣化中的應用與技改

許 明

(中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江鶴崗 154100)

中海石油華鶴煤化有限公司(以下簡稱華鶴煤化)設計生產規模為300 kt/a合成氨、520 kt/a大顆粒尿素。氣化裝置采用美國GE能源水煤漿加壓氣化技術，氣化爐2開1備，氣化壓力為6.5 MPa(表壓)，采用四級閃蒸流程，原料煤使用鶴崗本地區優質煙煤，采用濕法棒磨制漿，低壓煤漿泵選用上海福斯特離心泵，高壓煤漿泵選用德國菲魯瓦雙軟管隔膜泵。該氣化裝置于2015年4月6日一次性投料成功。由于鶴崗煙煤的高灰分、高灰熔點特性，給氣化裝置長周期運行帶來巨大的挑戰。通過總結運行經驗，氣化爐操作溫度選定為1 350 ℃，此溫度十分接近煤漿灰熔點；進行工藝優化調整后，確保了氣壓裝置安全、高效的穩定運行。2016年華鶴煤化的產量為364 kt合成氨、608 kt尿素，合成氨和尿素分別達到設計產量的121.3%及116.9%。

1 高灰分、高灰熔點煙煤制漿對系統的挑戰

華鶴煤化現階段采用了3種精洗煤(H- 11、H- 13、H- 16)，其中H- 11、H- 13的煤源、煤質穩定，H- 16煤質時有波動且出現過供煤中斷的情況。選擇精洗煤作為原料煤，可有效減少外界雜質混入煤中，避免煤漿灰分不必要的增加；精洗煤的全水分較高，且存在一定程度的浮動，但內在水分較為穩定，不會影響原料煤的成漿性，制漿時需關注磨機出料槽煤漿分析數據和低壓煤漿泵電流，并及時進行水煤比調整，確保制得穩定的高濃度煤漿[1-3]。3種原料煤的工業分析見表1。

表1 3種原料煤的工業分析

由表1可知：鶴崗煙煤具有優異的成漿性，華鶴煤化采用的原料煤內在水分質量分數均在2%左右、哈氏可磨指數接近50，適合制得高濃度煤漿；在生產運行中添加劑選用木質素系，其加入比例為原料煤分析基的0.025%，制得煤漿濃度為65%～67%，黏度為0.2～0.6 Pa·s，煤漿穩定性良好[4]。根據經驗，此種高濃度煤漿在黏度高于0.8 Pa·s時，表現為流動性差、易產生硬沉積，曾出現過高壓煤漿泵入口吸入量不足引起的燒嘴壓差低、高壓煤漿泵出口壓力高且與煤漿爐頭壓力差值大引起的管線振動大。通過技術改造和嚴格控制煤漿穩定性后，問題得到解決。

鶴崗地區煙煤的高灰分、高灰熔點特性突出，即在相同溫度下，灰渣的黏度主要取決于煤灰的組成以及各組分間的相互作用。CaCO3在高溫下化學性質活潑，產生的CaO可與耐火磚主要成分Cr2O3發生反應，并形成低熔點共聚物，故石灰石是引起耐火磚侵蝕消耗的主要物質之一。另外，較低的灰分可以減少無機物對于耐火磚的沖刷。3種原料煤煤灰的組成與灰熔點比較見表2。

表2 3種原料煤煤灰的組成與灰熔點比較

注：DT變形溫度，ST軟化溫度，HT半球溫度，FT流動溫度，CRC焦渣特性

由表2可知：軟化溫度ST在1 350～1 500 ℃、流動溫度FT在1 400～1 500 ℃，按MT/T 853—2000分類，煤灰既屬于較高軟化溫度灰，又屬于較高流動溫度[5]。為保持較低的氣化爐操作溫度，并滿足氣化爐液態排渣，必須添加助溶劑，以降低煤灰的灰熔點。

2 爐溫的選擇

圖1 H- 11加4%石灰石煤灰黏度曲線

根據煤科院北京分院提供報告中的表3和圖1，綜合高灰分和高爐溫操作對運行的影響，將石灰石添加比例確定為原料煤分析基的4%～5%，并關注每天灰熔點的變化，及時調整助溶劑的加入比例，將煤漿灰熔點(FT)控制在1 350 ℃以下，氣化爐操作溫度控制在1 340～1 360 ℃、甲烷體積分數在(1 000～1 500)×10-6，由此帶來的好處是可有效延長耐火磚的使用壽命，并提高了有效氣率。值得一提的是，將爐溫控制在接近灰熔點的操作方法，并未造成渣口頻繁堵塞，這打破了水煤漿加壓氣化在爐溫選擇上高于煤漿灰熔點50～100 ℃的傳統操作。

表3 添加不同比例助熔劑的對比

3 運行情況

(1) 為了研究和控制煤漿灰分，選取1個月的運行數據，共29個，去掉1個最大值、1個最小值，原料煤灰分最高為14.42%，最低為10.63%，平均值為12.43%，煤漿灰分平均17.6%，灰熔點平均1 333.74 ℃。由于使用高灰分煤漿，嚴重影響耐火磚和設備管線的使用壽命，制約著氣化裝置連續運行周期，因此選取H- 11和H- 16進行配煤摻燒運行，比例為2∶1。當原料煤灰分降至11.6%時，煤漿濃度和黏度均較好，石灰石添加比例可降至3%，灰熔點控制在1 330 ℃，煤漿平均灰分降至14.5%；也曾因H- 16煤質、煤源不穩定恢復為單一煤種制漿的情況。據有關資料，在相同的水煤漿氣化條件下，若原料煤灰分的絕對含量降低1%，分析基比煤耗約降低0.33%，比氧耗約降低0.72%。因此，降低煤漿灰分不僅有助于提高氣化爐的氣化效率，還可減輕灰渣對耐火磚的侵蝕和磨損，降低黑水中的固含量，減緩黑水對管道、閥門及設備的磨損，經濟效益明顯[6]。

(2) 氣化粗渣一定程度上反映出碳轉化率和氣化爐內熔渣狀態。氣化裝置粗渣多為小顆粒球狀、無拉絲呈烏黑色，也有少量塊渣略帶墨綠色，說明熔渣在渣口處流動較好。根據運行數據統計，粗渣殘碳平均值為4.05%，按工藝包設計值2.6%～12.5%，屬較低范圍，表明碳轉化率較好。每生產1 000 m3(標態)有效氣(CO+H2)的煤耗為600 kg(即比煤耗)，也證明了這一點。

(3) 隨著氣化爐運行周期的不斷延長，工藝燒嘴磨損逐步加劇，不可避免地產生燒嘴噴射霧化效果變差，為保障煤漿的充分燃燒和氣化爐連續液態排渣，根據實際工況對氣化爐操作進行調整優化。此時要關注有效氣體成分、氣化爐托磚板熱耦溫度以及氣化爐爐壁溫度，做到對渣口壓差的嚴格把控，要有預見性地進行操作調整，如提高中心氧比例，可逐步由正常運行的17.5%提高至19.0%，加強霧化效果；關注渣樣形態和殘碳，適當增加氧煤比，提高氣化爐操作溫度，使煤漿充分燃燒，確保氣化爐有較高的碳轉化率。在正常工況操作要求下，調整負荷時要緩慢，穩定煤漿濃度和氧煤比，減小氣化爐溫度、系統壓力的波動等，可有效避免渣口堵塞，至今未出現因渣口堵塞而造成的氣化爐停車。

(4) 煤漿濃度的提升有助于提高氣化效率和有效氣產量，根據運行數據核算得到結論：煤漿濃度每增加1%，CO體積分數約增加0.6%，H2體積分數約增加0.1%。每生產1 000 m3(標態)的有效氣(CO+H2)氧耗降低4.4 m3(標態)，煤耗約降低3.4 kg；此外，在煤漿濃度不變的情況下，適當降低氣化爐的操作溫度，也有助于提升有效氣體成分。華鶴煤化有效氣成分達到84.5%以上(干基氣)，屬同行業領先水平。因此，制得高濃度煤漿和選擇適當的氣化爐操作溫度，可獲得可觀的經濟效益。

(5) 針對不同的外部條件和耐火磚損傷消耗的不同規律，將氣化爐耐火磚的損傷分為塊狀剝落、燒蝕損壞、沖蝕損壞、化學侵蝕等。在氣化爐生產運行中，沖蝕和化學侵蝕是不可避免的，唯有保持向火面耐火磚上適當厚度的渣層，使其以渣抗渣、阻斷高溫還原氣體與其直接接觸，達到減少損耗的目的。氣化爐耐火磚由中鋼耐火材料公司生產，為了提高耐火磚的使用壽命，除了嚴把耐火磚自身性能與筑爐質量，還通過盡量降低煤漿灰分、石灰石的添加量，將氣化爐爐溫控制在較低溫度下操作，并采用了延長系統運行周期、減少開停車頻率等方法。實際運行中，筒體向火面磚使用壽命約為16 000 h，拱頂向火面磚的約為20 000 h，錐底向火面磚的約為11 000 h。

4 制漿存在的問題與技改措施

(1) 鶴崗地區冬季最低溫度可達-38 ℃，冬季原煤儲存與使用較為困難，原料煤外在水分含量高，易結冰、架橋堵塞煤倉。雖然每個煤儲斗設計有2個煤倉、4個低壓氮氣炮，但因振打效果不理想，時常發生雙煤倉架橋堵塞，造成磨煤機被迫停機，操作人員需拆手孔進行疏通。針對此種情況，對磨煤廠房加裝氣暖，保證適宜的廠房溫度；同時，對煤倉加裝電磁振動器，每個煤倉下料口至煤給料機插板閥之間安裝1個，使用效果較佳，解決了冬季煤倉易堵塞架橋的問題。

(2) 原設計的石灰石給料機為螺旋式輸送機，最大輸送能力為2 t，無法滿足單臺磨機和雙爐運行的使用量；且螺旋式輸送機不適宜輸送易結塊、黏性物料，煤、石灰石、磨煤水三者加料口是連通的，磨煤水溫度約為40 ℃，水汽上升遇石灰石結塊，堵塞下料管線和給料機。技術改造是將原給料機更換為皮帶式輸送機，保留原有星型給料器和插板閥；從磨機給水調閥后引一路管線至石灰石下料口，并與石灰石下料管形成一定角度，原設計磨機加水口停用，使水噴入石灰石下料管，沿內管壁螺旋下降，將石灰石沖入磨機。改造后已無石灰石堵塞，用量可滿足單臺磨機、雙爐運行，為磨機提供了寬裕的檢修時間。

(3) 低壓煤漿泵采用立式離心泵，設計最大流量65 m3/h、轉速1 500 r/min，運行初期煤漿濃度控制較低約61%，單泵運行穩定。制漿調整、優化操作后，煤漿濃度逐漸提升至66%，低壓煤漿泵出現電機易過載、轉速無法提升、打量不足等情況。經與設備生產廠家協商，將電機功率由30 kW 更換為45 kW，并優化變頻器調節程序，提高了低壓煤漿泵輸送能力。

(4) 燒嘴壓差一直是同行業的嚴控指標，通過燒嘴壓差的變化可初步判斷工藝燒嘴的磨損情況和霧化效果。裝置運行初期，時常有硬物卡塞

高壓煤漿泵進出口單向閥，出現燒嘴壓差低并伴有較大幅度波動，嚴重影響系統的安全生產。檢修時對高壓煤漿泵單向閥閥球和密封件進行檢查，發現卡塞異物多為鐵制品。雖煤儲運輸煤皮帶上部有電磁除鐵器，但因金屬混入煤中，并不能全部去除，另外磨機內鋼棒磨損也會形成鐵屑。經過剖析原因后，對磨煤機出口滾筒篩進行改造，增設了永磁除鐵器20個，其規格為80 mm×160 mm，滾筒篩共4個格，將其布置在磨機出漿的前2格內壁上，并且不同格的除鐵器交錯布置，定期倒停磨機對永磁除鐵器進行清理，既解決了高壓煤漿泵單向閥卡塞問題，又減輕了低壓煤漿泵葉輪的磨損。

5 結語

使用鶴崗地區煙煤為原料煤，內水含量低，成漿性優異，制得煤漿濃度高，有助于氣化效率的提高。高灰分、高灰熔點煤質需加助溶劑以降低灰熔點，煤漿灰分的增加會導致氧耗、煤耗增大，因此助溶劑加入比例應適當選擇小值；可采用配煤摻燒的方法，降低灰分和灰熔點，并進一步減少助溶劑的加入量。氣化爐操作溫度可接近或低于灰熔點(FT)，主要根據灰渣黏溫特性曲線，保持在此操作溫度下灰渣的黏度在5～15 Pa·s范圍內，同時較低的操作爐溫可以有效提高耐火磚使用壽命。

參考文獻

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