氣化煤質(zhì)與甲醇裝置穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的研究

何圣龍

(陜西長青能源化工有限公司， 陜西寶雞 721405)

陜西長青能源化工有限公司是由徐礦集團、陜西省煤田地質(zhì)集團有限公司、寶鋼金屬有限公司及南京誠志清潔能源有限公司共同參股組建的大型現(xiàn)代煤化工企業(yè)。公司150萬 t/a 煤制甲醇項目中，規(guī)劃一期產(chǎn)能為60萬 t/a，產(chǎn)品品質(zhì)為優(yōu)等品。其中氣化裝置采用德士古(GE)氣化工藝，分為煤漿制備、氣化工藝及渣水處理3個階段，生產(chǎn)運行模式為2開1備，單爐投煤量為1 700 t/d[1]。自2013年5月投產(chǎn)至2017年以來，精甲醇產(chǎn)量保持在70萬 t/a。對生產(chǎn)運行情況分析發(fā)現(xiàn)，氣化裝置受限于煤質(zhì)質(zhì)量，一直存在著設(shè)備磨損嚴重、檢修頻繁、氧耗和煤耗高及管道泄漏等問題。為此，公司采取優(yōu)化煤質(zhì)、技術(shù)改造及精細管理等舉措，得到良好效果。精甲醇年產(chǎn)量持續(xù)穩(wěn)步攀升，2019年突破紀錄，達到了81.5萬 t/a。

1 存在問題

GE氣化工藝的煤質(zhì)要求指標為：發(fā)熱量≥25 MJ/kg、灰分質(zhì)量分數(shù)≤15%[2]、全水質(zhì)量分數(shù)≤14%、內(nèi)水質(zhì)量分數(shù)≤5%、灰熔點<1 300 ℃。2013—2016年，受限于煤質(zhì)質(zhì)量的影響，公司氣化煤煤質(zhì)指標為：灰分質(zhì)量分數(shù)>14%、灰熔點為1 270～1 350 ℃、發(fā)熱量為23～24 MJ/kg。煤質(zhì)不符合工藝指標，使得氣化工藝頻繁出現(xiàn)一系列問題，導(dǎo)致氣化爐運行周期為50～55 d。

1.1 錐底磚磨蝕

當煤炭灰熔點升高時，氣化爐爐膛操作溫度隨之升高，高溫環(huán)境下的液態(tài)渣流動時將加劇磨蝕、沖蝕耐火磚和錐底磚，導(dǎo)致氣化爐使用壽命達不到設(shè)計指標，增大了設(shè)備運行安全風險。

1.2 下降管超溫

錐底磚磨蝕損壞，液態(tài)渣在下降管內(nèi)壁易形成掛渣，造成下降管超溫，降低了設(shè)備的自我保護能力，從而縮短錐底磚使用壽命，增加檢修頻次。

1.3 氧耗和煤耗高

當煤炭灰分含量和灰熔點高時，為保證液態(tài)渣的正常流動，需要提高煤炭和氧氣的投入量。如此，一方面會造成噸甲醇氧耗和煤耗升高，增加生產(chǎn)成本；另一方面降低了有效工藝氣流量，使得氣化反應(yīng)效率降低。

1.4 設(shè)備磨蝕損壞和管道沖蝕泄漏

當煤炭投入量一定時，煤炭灰分含量升高，氣化燃燒產(chǎn)生的粗渣逐漸變多，造成撈渣機超負荷運行，運行后期刮板和鏈條磨損嚴重，易導(dǎo)致?lián)圃鼨C故障率升高。此外，灰水和黑水中的固含量升高，高速流動的液體會對管道和閥門造成沖蝕。其中，黑水角閥泄漏較為頻繁，處理該問題需要減負荷或泄壓停車，會嚴重影響氣化工藝運行的穩(wěn)定性。

2 原因分析

2.1 煤炭灰分

灰分是指煤在一定溫度下完全燃燒后生成的殘留物，屬于無用物質(zhì)。分析發(fā)現(xiàn)，當煤炭灰分質(zhì)量分數(shù)變大時，必須提高氣化爐溫度至煤炭灰熔點以上，才能保證液態(tài)渣的穩(wěn)定流動。為保持足夠的反應(yīng)溫度，必須增加氧耗和煤耗，使得部分碳完全燃燒生成二氧化碳，導(dǎo)致合成氣(CO+H2)減少，降低了氣化反應(yīng)效率。研究表明[3]：氣化反應(yīng)條件一定時，煤炭灰分質(zhì)量分數(shù)每增加1%，氧耗和煤耗分別增加0.7%～0.8%和1.3%～1.5%。此外，當煤炭灰分質(zhì)量分數(shù)變高時，渣水處理過程中產(chǎn)生的廢水固含量變大，加大了燒嘴和耐火磚的沖蝕和磨蝕，易造成管道損壞和泄漏，縮短了設(shè)備的使用壽命，嚴重影響了氣化工藝的穩(wěn)定運行。

2.2 煤炭水分

煤炭水分分為游離水和化合水。游離水對氣化工藝幾乎無影響，但會增加運輸成本；化合水在煤中以化學形式存在，主要影響水煤漿的性能。當化合水增大時，水煤漿流動性降低，但是煤漿泵要求水煤漿具有低黏度特性，所以只能降低水煤漿濃度。降低水煤漿濃度會對氣化工藝產(chǎn)生三方面影響：(1) 水煤漿濃度低，氣化燃燒蒸發(fā)水分的熱量增加，增大了煤耗和氧耗，降低了氣化效率；(2) 水煤漿流量一定時，其濃度越低，燃燒反應(yīng)生成的有效工藝氣成分越少，可降低生產(chǎn)系統(tǒng)負荷；(3) 工業(yè)生產(chǎn)中主要采取投入添加劑的方式來增大水煤漿濃度，當水煤漿濃度越低時，需要投入添加劑的量越大，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。

2.3 煤炭灰熔點

GE氣化工藝采用液態(tài)排渣方式，當氣化爐溫度比灰熔點高30～50 ℃時，有利于提高排渣和碳轉(zhuǎn)化率。研究表明：隨著煤灰熔點的增加，氣化爐操作溫度升高，這不僅會加劇液態(tài)渣對耐火磚的沖刷性，降低其使用壽命，而且會增加氧耗和煤耗。研究發(fā)現(xiàn)[4]:氣化爐操作溫度每升高50℃，耐火磚沖蝕速率將提高1倍。因此，氣化反應(yīng)燃燒必須選用灰熔點較低的煤種，以延長設(shè)備的使用壽命。

2.4 煤灰黏度

黏度是衡量流體流動特性的主要指標，氣化爐內(nèi)的液態(tài)渣主要以熔融形態(tài)排出。當灰渣黏度增大時，液體流動性降低，不利于排渣；當灰渣黏度減小時，會加劇其對耐火磚的沖蝕性。研究表明[5]:氣化爐操作溫度下灰渣黏度為20～30 Pa·S時最佳，不僅有利于耐火磚表面形成掛渣以對耐火磚起到保護作用，而且有利于灰渣的排出。

2.5 煤炭揮發(fā)分

煤炭揮發(fā)分是指煤加熱反應(yīng)后產(chǎn)生的揮發(fā)有機物及其分解產(chǎn)物，是衡量煤變質(zhì)的重要指標。當煤炭揮發(fā)分越高時，煤化程度越低，表明煤質(zhì)年代越短，反應(yīng)性越好，有利于氣化反應(yīng)。

3 解決措施及效果

基于上述研究表明，煤炭的灰分和灰熔點對氣化工藝影響較大，主要涉及生產(chǎn)運行的穩(wěn)定性和精甲醇產(chǎn)品品質(zhì)。基于此，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行比較和分析，采取優(yōu)化煤質(zhì)、技術(shù)改造及細化管理等措施，保障氣化裝置的安全穩(wěn)定運行，進一步提高甲醇產(chǎn)量。

2017年至今，氣化煤控制煤質(zhì)指標為：發(fā)熱量≥25 MJ/kg、灰分質(zhì)量分數(shù)<12%、內(nèi)水質(zhì)量分數(shù)<5%、固定碳質(zhì)量分數(shù)>55%、灰熔點為1 230 ℃。具體措施為：(1) 煤質(zhì)如滿足控制指標，則采購全水低、揮發(fā)分高、有害物質(zhì)低及可磨指數(shù)高的煤炭，便于提高氣化反應(yīng)效率；(2) 進廠煤炭全部采用人工和機器隨機采樣分析對比方式，全程跟蹤監(jiān)控，合理配比氣化煤質(zhì)，氣化煤質(zhì)合格率從34%提高至93%，最高可達99.37%；(3) 利用校企合作平臺，通過技術(shù)改造，優(yōu)化煤漿添加劑比例，使得水煤漿質(zhì)量濃度從58.5%提高至63.5%。

3.1 煤質(zhì)對生產(chǎn)穩(wěn)定運行的影響

2017—2019年，氣化煤發(fā)熱量不斷增加，灰分和灰熔點逐漸降低，不同年份下煤質(zhì)的特性參數(shù)見表1。

表1 氣化煤質(zhì)特性參數(shù)表

隨著煤質(zhì)不斷變好，氣化工藝生產(chǎn)系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定，生產(chǎn)效率不斷提高，具體表現(xiàn)為：(1) 氣化爐耐火磚使用壽命由11 000 h提高至14 000 h，可能因為液態(tài)渣中鉻質(zhì)量濃度從182 μg/g降低至113 μg/g，使得爐渣對耐火磚的沖蝕性降低，從而延長了耐火磚的使用壽命；(2) 煤灰分降低，減小了爐渣對管道、燒嘴及閥門等裝置的磨損，燒嘴使用壽命由50 d提高至77 d，從而降低了設(shè)備故障率和設(shè)備檢修頻率，實現(xiàn)了生產(chǎn)工藝的長周期穩(wěn)定運行；(3) 氣化燃燒反應(yīng)生產(chǎn)的合成氣(CO+H2)的質(zhì)量分數(shù)由78.5%～79%提高至80%～81.5%，甲醇產(chǎn)量增加了60 t/d，提高了生產(chǎn)效益。

3.2 煤質(zhì)對甲醇產(chǎn)量及原料消耗的影響

煤炭灰分對粗甲醇日產(chǎn)量的影響見圖1，煤炭灰分對噸甲醇氧耗和煤耗的影響見圖2。

圖1 煤炭灰分對粗甲醇日產(chǎn)量的影響

圖2 煤炭灰分對噸甲醇氧耗和煤耗的影響

結(jié)合圖1和圖2發(fā)現(xiàn)：在2016—2019年期間，隨著煤中灰分質(zhì)量分數(shù)的減小，粗甲醇日產(chǎn)量逐漸增大，從2100 t增加至2 400 t；此外，隨著煤灰分的減小，噸甲醇耗氧和煤耗量逐漸降低，分別減小了102 m3/t和0.13 t/t，節(jié)約了生產(chǎn)成本。結(jié)果表明：公司采用優(yōu)質(zhì)氣化煤，不僅提高了甲醇日產(chǎn)量，同時也節(jié)約了原材料消耗；此外，設(shè)備故障率降低，氣化工藝生產(chǎn)長周期穩(wěn)定運行由50 d增加至110 d，最長可達126 d。因此，氣化優(yōu)質(zhì)煤對煤制甲醇工藝的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)起著決定性作用。

4 結(jié)語

通過探究氣化煤質(zhì)對煤制甲醇氣化爐的影響，研究了煤的灰分、水分、灰熔點、黏度以及揮發(fā)分等特性對生產(chǎn)設(shè)備的影響，采取優(yōu)化煤質(zhì)、技術(shù)改造及細化管理等多方面措施，實現(xiàn)了“增產(chǎn)、降本”的目標，保障了生產(chǎn)系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運行，對同行業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義。