配煤對水煤漿氣化爐運行的影響

摘 要：我國具有豐富的煤炭資源，占世界可供利用的儲存總量的11.67%，位列全球第三。同時，煤炭也是我國使用最廣泛的能源與原料，煤炭占有率在一次能源生產和消費結構中始終保持著50%以上。因此，配煤作為保證煤炭質量，提升利用效率的有效工序，其應用與研究始終是相關從業人員的重點思考方向。本文首先對配煤的相關概述進行介紹，之后從水煤漿氣化爐角度出發，多方面談論配煤對其設備及運行的影響。

關鍵詞：水煤漿加壓氣化爐;配煤;工藝效果

0 引言

目前，水煤漿在氣化過程中應用最多的設備是水煤漿加壓氣化爐（coal-water slurry pressurized gasifier），其具有煤種適應性廣、連續生產能力強、合成氣質優良、安全性能穩定等優點。想要充分發揮水煤漿氣化爐的各項優點，對于源頭的配煤工序要做出十分嚴格全面的要求。煤渣的流動性、煤質的穩定性、煤灰的熔煤特性等等，都是在工藝生產及管控中需要重點關注的對象。

1 配煤理論概述

配煤，顧名思義，是在煤中混入一定的添加物，以起到確保煤炭質量，合理高效利用煤炭資源，節約優質煉焦煤的作用。混入的煤質不一定局限于添加劑類，也包括了其他種類的煤，混合過程中可以是兩兩混合，也可以是多種混合。

早在十九世紀五十年代，煤炭行業為解決“粘結性過剩”的問題，首次將配煤技術投入實際應用。進入二十世紀，焦煤與強粘結性煤短缺的問題日益凸顯，從而進一步推動了配煤技術的發展。之后，煤巖學逐漸與配煤技術相結合，促進了其科學研究，科學發展的進程。

如今，在我國煤炭資源分布不平衡，部分地區運輸條件受限，煤炭利用效率不高的大環境下，進一步深化配煤技術的研究與應用，具有十分重要的意義：

①可以充分調節燃煤過程中硫份、氯、氟等有害氣體的排放，符合環境保護的迫切需求;

②針對我國煤炭資源分布具有較大的區域化差異，各地煤炭的灰分、硫分含量有所差別，采用不同的配煤方案實行煉焦，能切實煤炭資源的有效利用，滿足行業需求，緩和供需沖突。

一般來說，可以就配煤過程建立數學化模型，形成在一定約束條件下求極值的模式。其中，約束條件中很重要的一環就是設備本身對配煤參數的限制。

2 配煤對水煤漿氣化爐運行的影響

配煤對于氣化爐各個部分都會產生影響，包括氣化爐耐火磚、氣化爐內件、氣化爐燒嘴等等。

2.1 配煤對氣化爐耐火磚的影響

氣化爐耐火磚具有耐熱性能好，強度高，體積密度小，導熱系數低等優點，但是，耐火磚的價格昂貴，更換維修時間長。因此，在實際生產應用中，要盡可能延長耐火磚壽命。在部分企業變更配煤方案后，常常會發生耐火磚表面燒蝕，產生裂縫磨損等缺陷。

在對耐火磚的燒蝕速率進行測算時，常常利用以下公式進行計算：

式中：V燒-燒蝕速率;L1-耐火磚初始厚度;L2-耐火磚終末厚度;T-運行時間。

通過對比不同燒蝕速率下耐火磚的表面情況，可以看出燒蝕速率高的耐火磚表面具有更多的沖刷磚縫痕跡，這是在爐渣具有過高的流動性的情況下所產生的。就配煤指標而言，灰渣黏度較低，其流動性增強，會增加水煤漿氣化爐耐火磚的燒蝕速率，減少設備使用壽命，增加維修更換成本。相反的，當煤灰具有較高的黏度時，其流動性也會相應的降低，而這是不利于灰渣以液態形式排除氣化爐的，長此以往就會導致灰渣堆積，堵塞設備。根據國內外相關研究可知，德上古煤氣化爐在實際操作溫度下，將灰渣黏度控制在25～30Pa·S為佳。

在煤灰的組成中，對灰渣黏度影響最大的成分是Al2O3與SiO2。煤灰的流動性會隨著Al2O3含量的增多而提升。同時，SiO2會使煤灰熔融特性降低，黏度升高。對此，可以在配煤中添加一定量的CaO，使之與SiO2結合形成低熔點的硅酸鹽。

2.2 配煤對水煤漿氣化爐激冷系統的影響

激冷系統是對燃燒室中水煤漿氣化產生的合成氣與爐渣進行水浴冷卻的系統。激冷環頂部與水管線相連，同時與下降管上部連通，其具有破泡波紋與平衡孔，便于實現激冷水沿下降管螺旋流動，以保護管壁。

然而，部分工廠隨著配煤方案的改變經常發生下降管變形的問題。這主要是灰渣熔點增高，流動性增強導致渣口沖刷破壞，渣口實際尺寸變大，高溫爐渣流入激冷環室中的量增大，下降管中的激冷水無法實現對爐渣的完全冷卻，導致部分爐渣與管壁相粘結，最終使下降管受高溫發生變形。

想要改善此問題，一方面可以在配煤中加入一定量的Fe2O3，使其在爐中發生還原反應產生FeO，它與爐中的氧化硅等成分結合所形成的共熔物具有較低的熔點，在爐中更容易發生軟化，從而有效減少對渣口的沖擊磨損。另一方面可以就下降管壁做出改變，例如更換耐溫材料更高的不銹鋼材，或對原有管壁進行表面處理，增加其耐熱性能。

2.3 配煤對水煤漿氣化爐燒嘴運行的影響

水煤漿氣化爐燒嘴是利用高壓噴出氧氣，將水煤漿霧化，并在高溫高壓的環境中進行不完全氧化，起到預混合的作用。部分企業在變更配煤方法后，出現了燒嘴頭部皸裂，熱應力裂縫，管道噴嘴磨損等現象。就配煤方案變更來說，這是由于水煤漿霧化程度不足，燃燒火焰過于靠近燒嘴導致的。

從燒嘴結構考慮，可以調整中噴與外噴內徑，外氧環隙等參數，使氧氣發散程度更高，與水煤漿混合效果更明顯，將火焰黑區擴大，遠離燒嘴。從配煤角度考慮，可以針對揮發分這一配煤參數進行相關調整。揮發分是煤變質程度的定量表示，配煤中揮發分越高，其變質程度越高，氧化時會形成更長的火焰。揮發分與煤的內在水分具有一定關系，當煤的揮發分在25%到45%時，內在水分含量最低。此外，值得注意的是，煤的變質程度過高會導致成漿性能的降低。

3 水煤漿氣化工藝對配煤的基本要求

我們常用配煤指標來表示配煤性質的恰當性，常見的配煤指標包括了揮發分、粘結性、結焦性等等，這與煤中的灰分、硫磷含量等化學組成是息息相關的。為了保證水煤漿氣化技術的高效穩定，在進行配煤時一般要遵循以下幾個原則：

①煤的灰分含量不高于13%。灰分是指煤中的無用形式成分，在水煤漿氣化爐中，為了保證煤渣能以液態形式順利排出，就必須使溫度高于灰熔點，這就導致了氧氣消耗與煤耗的增加，也加速了燒火磚的燒蝕速率;②煤的內在含水量不高于8%。煤的內在含水量越高，水煤漿制成難度也越高，制成后的煤漿濃度也越低;③煤灰的黏度保持在25～40Pa·S。此點的原因上文已有提及，是為了在耐火磚表面形成灰渣保護層的同時又能保證灰渣具有一定的流動性;④煤的HGI指標大于50。HGI，即哈氏可磨性指數，這是一個無量綱的指標，專門用來體現煤破碎成粉的相對難以程度。其大小與煤的硬度、強度、韌性、脆度等有關。HGI指數較大的煤，在破碎后產生的顆粒會更小，具有更高的堆積效率，因此，其在成漿后也會具有較高的濃度。

4 結語

在實際生產過程中，要針對具體的配煤方案進行水煤漿氣化爐運行情況的分析。首先要進行煤質分析，判斷其配煤指標是否滿足氣化用煤的要求與成漿性的要求，之后必須進行試產過程，分析配煤方案變更對設備運行帶來的影響，是否滿足安全要求與經濟效益要求。此外，我國煤礦分布具有十分明顯的地域性差異，各地要根據實際煤質選取合適的配煤方案以及煤預處理工藝。

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作者簡介：

蘇衛芳（1988- ），女，籍貫：山西省天鎮縣，目前職稱：助理工程師，研究方向：煤化工。