煤化工生產(chǎn)中原料煤、燃料煤配煤優(yōu)化研究

崔偉兵

(中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017317)

我國擁有豐富的煤炭資源，以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)在今后相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)不會(huì)有大的改變[1]，如何高效、經(jīng)濟(jì)地利用煤炭顯得尤為重要。在煤化工產(chǎn)業(yè)中，需要熱值較高的煤作為動(dòng)力煤，也需要成分比較穩(wěn)定的煤作為化工用煤[2]。目前行業(yè)內(nèi)已開展了不同形式的配煤研究[3]。中煤鄂爾多斯能源化工有限公司的原料煤、燃料煤主要用于氣化爐和鍋爐，是合成氨系統(tǒng)的主要原材料和動(dòng)力源，約占總生產(chǎn)成本的65%，因此噸氨耗原料煤和噸蒸汽耗燃料煤成為了合成氨生產(chǎn)成本的重要控制指標(biāo)。BGL氣化爐的顯著優(yōu)勢(shì)是一定程度上實(shí)現(xiàn)了煤的分質(zhì)利用[4]，在粗煤氣產(chǎn)生的同時(shí)副產(chǎn)焦油、中油、石腦油、粗品酚和甲烷氣。當(dāng)煤質(zhì)(低位發(fā)熱量、固定碳含量、揮發(fā)分含量等)發(fā)生變化時(shí)對(duì)原料煤消耗量影響較大，直接影響到副產(chǎn)品及合成氨的產(chǎn)量[5]。

筆者對(duì)原料煤、燃料煤配煤進(jìn)行優(yōu)化研究，旨在利用現(xiàn)代化技術(shù)手段進(jìn)行原料煤、燃料煤配比優(yōu)化，結(jié)合企業(yè)周邊煤炭的煤質(zhì)特點(diǎn)，在原料煤、燃料煤消耗成本最佳的臨界點(diǎn)提出具體的煤質(zhì)配比。

1 原料煤、燃料煤使用情況

1.1 原料煤使用情況

1.1.1 原料煤煤質(zhì)

煤質(zhì)是研究消耗量的基礎(chǔ)條件，中煤鄂爾多斯能源化工有限公司的原料煤主要來源于周邊煤礦，因考慮原料煤消耗量為收到基數(shù)據(jù)，現(xiàn)將工業(yè)分析的空氣干燥基數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為收到基數(shù)據(jù)，按照公式收到基=空氣干燥基×(100-全水分)÷(100-內(nèi)水分)進(jìn)行轉(zhuǎn)化計(jì)算。原料煤工業(yè)分析參數(shù)數(shù)據(jù)(收到基)見表1。

1.1.2 原料煤消耗情況

氣化所用原料煤主要是來自周邊煤礦的洗精煤，粒度為6～50 mm，經(jīng)過篩分后，最終入氣化爐的原料煤粒徑為10～50 mm。目前合成氨系統(tǒng)原料煤消耗量約為5 265 t/d，待甲醇系統(tǒng)運(yùn)行后原料煤消耗量約為1.1萬t/d，經(jīng)過近8個(gè)月的統(tǒng)計(jì)分析，得出原料煤消耗量與灰分、揮發(fā)分、固定碳、熱值均存在一定關(guān)系，具體參數(shù)數(shù)據(jù)見表2。

表1 原料煤工業(yè)分析參數(shù)數(shù)據(jù)(收到基)

表2 原料煤(入氣化爐)煤質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)

2.以上數(shù)據(jù)為加權(quán)平均數(shù)據(jù)

(1)原料煤消耗量與灰分含量的關(guān)系。灰分是煤中所有可燃物質(zhì)完全燃燒及煤中礦物質(zhì)在一定溫度下經(jīng)過一系列分解化合等復(fù)雜反應(yīng)后剩下的殘?jiān)且环N廢品，不僅增加運(yùn)輸成本，同時(shí)也會(huì)增加碳損失和熱量損失，最終導(dǎo)致原料煤消耗量增加。

(2)原料煤消耗量與揮發(fā)分含量的關(guān)系。由于中煤鄂爾多斯能源化工有限公司原料煤來源較為復(fù)雜，不同煤種混合后可能會(huì)成為一種新的煤種，在實(shí)際生產(chǎn)中原料煤消耗與揮發(fā)分含量的關(guān)系不是很明顯，因此本次不再進(jìn)行詳細(xì)說明。

(3)揮發(fā)分含量與副產(chǎn)品產(chǎn)量的關(guān)系。中煤鄂爾多斯能源化工有限公司氣化裝置為碎煤加壓熔渣氣化技術(shù)，副產(chǎn)甲烷氣、粗品酚、中溫煤焦油、煤基瀝青、粗苯等副產(chǎn)品，其中中溫煤焦油和煤基瀝青屬于集中收集，因此本次僅研究液化甲烷、粗苯、粗品酚與原料煤揮發(fā)分的關(guān)系。當(dāng)揮發(fā)分含量高時(shí)，液化甲烷(甲烷氣液化制得)、粗苯、粗品酚產(chǎn)量增加；當(dāng)揮發(fā)分含量低時(shí)，液化甲烷(甲烷氣液化制得)、粗苯、粗品酚產(chǎn)量降低。

(4)原料煤消耗量與固定碳含量的關(guān)系。原料煤中固定碳含量與煤變質(zhì)程度有一定關(guān)系，煤中干燥無灰基固定碳含量隨煤化度的加深而逐漸增大。但是考慮到原料煤消耗量是實(shí)物量，因此固定碳采用收到基進(jìn)行分析。從表2可以看出，原料煤消耗量與固定碳含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)固定碳含量增加時(shí)，合成氣耗原料煤量降低；當(dāng)固定碳含量減少時(shí)，合成氣耗原料煤量增加。

(5)原料煤消耗量與低位發(fā)熱量的關(guān)系。煤的低位發(fā)熱量不僅影響原料煤實(shí)物量消耗，同時(shí)對(duì)能源消耗也起著重要作用。當(dāng)原料煤的低位發(fā)熱量升高時(shí)，合成氣耗原料標(biāo)準(zhǔn)煤增加，不利于能源管控；當(dāng)原料煤的低位發(fā)熱量降低時(shí)，合成氣耗原料標(biāo)準(zhǔn)煤降低，實(shí)際能源消耗量降低，有利于能源管控。原料煤消耗量與低位發(fā)熱量的關(guān)系如圖1所示。

圖1 原料煤消耗量與低位發(fā)熱量的關(guān)系

1.2 燃料煤使用情況

1.2.1 燃料煤煤質(zhì)

鍋爐使用燃料煤來源為兩個(gè)部分：一部分為周邊煤礦的燃料煤，一部分為原料煤的篩余。燃料煤主要煤質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)見表3。

表3 燃料煤煤質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)(收到基)

1.2.2 燃料煤消耗情況

目前入鍋爐燃料煤消耗量約0.3～0.4萬t/d，經(jīng)過近8個(gè)月的統(tǒng)計(jì)分析，得出入鍋爐燃料煤消耗與熱值、灰分關(guān)系較大。具體參數(shù)數(shù)據(jù)見表4。

(1)燃料煤消耗量與水分含量的關(guān)系。燃料煤中的水分對(duì)燃料煤消耗不利，燃料煤在鍋爐內(nèi)燃燒時(shí)，需要消耗多余的熱量來蒸發(fā)煤中的水分，從而增加了消耗。從表4可以看出，當(dāng)入爐燃料煤中水分增加，噸蒸汽耗燃料煤量也隨之增加；當(dāng)入爐燃料煤中水分降低，噸蒸汽耗燃料煤量也隨之降低。

(2)燃料煤消耗量與灰分含量的關(guān)系。當(dāng)煤中灰分高時(shí)，噸蒸汽耗燃料煤量相應(yīng)增加；當(dāng)煤中灰分低時(shí)，噸蒸汽耗燃料煤相應(yīng)降低。

(3)燃料煤消耗量與低位發(fā)熱量的關(guān)系。因鍋爐的主要作用是依靠燃料煤的燃燒，間接接觸鍋爐水，加熱產(chǎn)生9.8 MPa高壓蒸汽，因此燃料煤低位發(fā)熱量的高低，直接影響燃料煤消耗量。從表4可以看出，當(dāng)燃料煤低位發(fā)熱量增加時(shí)，噸蒸汽耗燃料煤量降低；當(dāng)燃料煤低位發(fā)熱量降低時(shí)，噸蒸汽耗燃料煤量增加。

表4 燃料煤(入鍋爐)煤質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)

2 原料煤、燃料煤使用標(biāo)準(zhǔn)及配比技術(shù)要求

2.1 原料煤使用標(biāo)準(zhǔn)及配比技術(shù)要求

2.1.1 原料煤使用標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合原料煤煤質(zhì)要求和生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際，原料煤(入氣化爐)使用標(biāo)準(zhǔn)見表5。

2.1.2 原料煤配比技術(shù)要求

(2)原料煤入廠時(shí)若粉率較高，將降低篩分效率，導(dǎo)致入爐煤的粉率增加，將會(huì)造成氣化爐配套的煤氣水系統(tǒng)管道磨蝕[8]嚴(yán)重，初焦油分離器運(yùn)行困難，變換洗滌分離塔、過濾器運(yùn)行周期相應(yīng)降低等等。操作人員應(yīng)時(shí)刻關(guān)注煤氣水系統(tǒng)的運(yùn)行情況，尤其是初焦油分離器攪拌器和煤氣水噴射泵的運(yùn)行情況。

(3)原料煤中硫含量高時(shí)，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注凈化氣、二氧化碳產(chǎn)品氣等中的硫含量。避免發(fā)生環(huán)保問題和造成系統(tǒng)大幅度降負(fù)荷。

(4)原料煤粘結(jié)指數(shù)高時(shí)，操作人員應(yīng)及時(shí)調(diào)整攪拌器[9]轉(zhuǎn)速，以避免爐內(nèi)結(jié)焦，造成偏流等現(xiàn)象，引起跳車。

(5)原料煤中灰分含量高，會(huì)減少下渣口的使用周期和氣化爐的運(yùn)行周期，同時(shí)增加灰渣的外運(yùn)費(fèi)用。

(6)定期對(duì)氣化裝置、煤氣水分離裝置等運(yùn)行情況進(jìn)行分析，以總結(jié)出最合理、經(jīng)濟(jì)的配煤方案。

表5 原料煤(入氣化爐)使用標(biāo)準(zhǔn)

2.2 燃料煤使用標(biāo)準(zhǔn)及配比技術(shù)要求

2.2.1 燃料煤使用標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合原料煤煤質(zhì)要求和生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際，燃料煤(入鍋爐)使用標(biāo)準(zhǔn)見表6。

還有些寓言類雜文，講述蟲魚草木等等動(dòng)植物的故事，人格化，寓批評(píng)、啟蒙于其中，讀后覺得趣味盎然，意義深遠(yuǎn)，掩卷思之，心情愉悅，又有思想收獲。此為三樂。

2.2.2 燃料煤配比技術(shù)要求

(1)入爐煤揮發(fā)分較低時(shí)，要通過提高煤粉細(xì)度、煤粉濃度、一次風(fēng)和二次風(fēng)溫度以及減小一次風(fēng)速等措施保證鍋爐著火安全。當(dāng)入爐煤揮發(fā)分高、熱值低時(shí)，著火點(diǎn)提前，燃燒迅速，要相應(yīng)調(diào)整一次風(fēng)和二次風(fēng)配風(fēng)情況，經(jīng)常檢查燃燒器附近區(qū)域，防止燃燒器燒損、水冷壁結(jié)焦和高溫腐蝕。采用分磨分燒方式摻燒高揮發(fā)分煤種時(shí)，對(duì)應(yīng)的二次風(fēng)應(yīng)比燃燒正常煤種時(shí)適當(dāng)減少，二次風(fēng)減少幅度根據(jù)試燒情況確定。

(2)保證鍋爐運(yùn)行工況安全，不得出現(xiàn)長期受熱面超溫、結(jié)焦、腐蝕、嚴(yán)重積灰等現(xiàn)象[10]。應(yīng)定期進(jìn)行結(jié)渣特性分析，觀察結(jié)渣情況，及時(shí)調(diào)整燃燒和吹灰方式，防止出現(xiàn)結(jié)渣和高溫腐蝕的發(fā)生，否則應(yīng)及時(shí)調(diào)整摻燒比例[11]。

(3)對(duì)鍋爐經(jīng)濟(jì)性的影響應(yīng)定期進(jìn)行分析，定期進(jìn)行灰渣含碳量、用電量消耗分析，通過分析進(jìn)行燃燒調(diào)整，提高燃燒經(jīng)濟(jì)性，從而指導(dǎo)和優(yōu)化配煤摻燒工作。

(4)制粉系統(tǒng)盡可能不采用隔層運(yùn)行方式，如必須隔層運(yùn)行，應(yīng)適當(dāng)增加鍋爐負(fù)荷，確保省煤器進(jìn)口煙氣溫度不低于480℃。

(5)吹灰、爐膛清焦、磨煤機(jī)切換等對(duì)燃燒有影響的定期工作務(wù)必錯(cuò)開進(jìn)行。

表6 燃料煤(入鍋爐)使用標(biāo)準(zhǔn)

3 原料煤、燃料煤配比優(yōu)化

3.1 原料煤配比優(yōu)化

自2013年試開車以來，中煤鄂爾多斯能源化工有限公司不斷積極探索原料煤煤質(zhì)對(duì)氣化的影響及各煤種煤灰組分對(duì)灰熔點(diǎn)的影響。

3.1.1 取消助熔劑添加

在原設(shè)計(jì)中，助熔劑粒徑為6～13 mm，在氣化爐穩(wěn)定工況下，每42 t原料煤中需添加1.53 t助熔劑。生產(chǎn)過程中如何將助熔劑均勻地加入到原料煤中是一個(gè)難點(diǎn)，中煤鄂爾多斯能源化工有限公司通過分析不同原料煤煤灰組分，結(jié)合三相圖和煤灰粘度，合理配比原料煤，從2014年停止添加助熔劑至今已有近7 a。在成功停用助熔劑期間，氣化爐運(yùn)行穩(wěn)定，未因原料煤灰熔點(diǎn)高而出現(xiàn)無法正常排渣的現(xiàn)象。助熔劑的停用不僅減少了一個(gè)管理難點(diǎn)，同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本。

目前原料煤的主要來源一部分為集團(tuán)所屬煤礦生產(chǎn)原料煤，低位發(fā)熱量約為27.21 MJ/kg；另一部分為集團(tuán)外部采購原料煤，低位發(fā)熱量約25.12 MJ/kg。結(jié)合氣化爐運(yùn)行工況的穩(wěn)定性、合成氨產(chǎn)量及歷史的運(yùn)行總結(jié)，集團(tuán)所屬煤礦生產(chǎn)原料煤與集團(tuán)外部采購原料煤按照3∶1～4∶1進(jìn)行配比。

3.1.2 合成氣與固定碳消耗量

合成氣產(chǎn)量主要受原料煤中固定碳含量影響，2020年8月至2021年3月，合成氣耗原料煤固定碳含量見表7。

從表7可以看出，合成氣耗固定碳基本穩(wěn)定在270.45 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/kNm3，說明氣化爐的氣化效率基本穩(wěn)定，更進(jìn)一步驗(yàn)證了研究原料煤配比對(duì)氣化爐消耗有著重要意義。

表7 合成氣耗原料煤固定碳含量

3.2 燃料煤(入鍋爐)配比優(yōu)化

中煤鄂爾多能源化工有限公司燃料煤一部分為原料煤篩下物，另一部分為采購的燃料煤。其中原料煤煤質(zhì)較好，低位發(fā)熱量較高、灰分較低；采購燃料煤煤質(zhì)較原料煤煤質(zhì)差，中煤鄂爾多斯能源化工有限公司根據(jù)原料煤篩下物煤質(zhì)和燃料煤煤質(zhì)情況，調(diào)整輸送路線，合理配比入鍋爐燃料煤煤質(zhì)。在二期甲醇項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，統(tǒng)一考慮新增了粉煤緩沖倉和燃料煤輸送專線。

為了更加靈活、規(guī)范地配比原料煤篩下物和燃料煤，增設(shè)1座儲(chǔ)存4 000 t粉煤緩沖倉。正常情況下原料煤經(jīng)弛張篩后，分為篩上物(粒徑>10 mm)和篩下物(粒徑≤10 mm)，篩下物經(jīng)帶式輸送機(jī)輸送至粉煤緩沖倉儲(chǔ)存，篩上物送至圓形料場原料煤區(qū)域儲(chǔ)存；外購低熱值燃料煤經(jīng)輸煤帶式輸送機(jī)后儲(chǔ)存至圓形料場燃料煤儲(chǔ)存區(qū)域，然后根據(jù)低熱值燃料煤煤質(zhì)和原料煤煤質(zhì)進(jìn)行配比。

燃料煤的配比優(yōu)化大大降低了中煤鄂爾多能源化工有限公司的燃料煤采購成本，2021年1～3月，中煤鄂爾多斯能源化工有限公司摻燒低熱值燃料煤(低位發(fā)熱量≤ 20.93 MJ/kg)4.65萬t。

3.3 挖爐廢料回收利用

在每次氣化爐檢修時(shí)，需將氣化爐內(nèi)廢料排除干凈，為檢修氣化爐內(nèi)耐火磚、攪拌器等創(chuàng)造條件。因氣化爐內(nèi)廢料仍具有一定的發(fā)熱量，經(jīng)過近幾年對(duì)氣化爐操作的摸索和優(yōu)化，成功將挖爐廢料作為氣化爐的入爐原料煤。單次挖爐大約可回收100 t原料煤，大約挖爐次數(shù)為20次/a，則可節(jié)約2 000 t/a原料煤，節(jié)約成本100萬元/a(原料煤單價(jià)按500元/t計(jì)算)。

4 原料煤、燃料煤配比應(yīng)用

原料煤、燃料煤配比不但能夠降低中煤鄂爾多斯能源化工有限公司的生產(chǎn)成本，同時(shí)對(duì)公司的能耗“雙控”工作也有著重要意義。公司將從入爐煤的最低標(biāo)準(zhǔn)、原料煤和燃料煤消耗、煤炭成本及綜合能源消耗方面綜合考慮煤炭的最優(yōu)配比，并借助信息化手段將煤炭配比提高一個(gè)臺(tái)階。

4.1 入廠煤炭準(zhǔn)入系統(tǒng)

煤炭質(zhì)量是氣化爐、鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，為進(jìn)一步加強(qiáng)煤炭質(zhì)量管理、杜絕“以次充好”現(xiàn)象的發(fā)生，解決目前煤炭管理存在漏洞的問題，中煤鄂爾多斯能源化工有限公司對(duì)標(biāo)其他企業(yè)，新建煤炭準(zhǔn)入系統(tǒng)(在建)，將質(zhì)量把控關(guān)口前移，對(duì)入廠煤炭低位發(fā)熱量、灰分、水分指標(biāo)提前檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)全車全檢，質(zhì)量達(dá)標(biāo)后準(zhǔn)入，不合格退廠。準(zhǔn)入的車輛按照質(zhì)量管理辦法要求，自動(dòng)搖號(hào)生成后依次進(jìn)入采樣區(qū)和卸煤區(qū)。

4.2 配煤系統(tǒng)引入

不論是從成本管理還是能耗管控方面，配煤優(yōu)化是一項(xiàng)切實(shí)可行的措施，信息化手段的介入將會(huì)使配煤手段得到有效應(yīng)用。目前中煤鄂爾多斯能源化工有限公司正在對(duì)一期的生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，擬在此系統(tǒng)中加入配煤的相關(guān)內(nèi)容。

5 結(jié)論

(1)中煤鄂爾多斯能源化工有限公司原料煤、燃料煤消耗約占主要成本的65%左右，原料煤消耗與灰分、揮發(fā)分、固定碳含量有著密切聯(lián)系，燃料煤消耗與水分、低位發(fā)熱量存在著密切聯(lián)系，雖然已經(jīng)找到了相關(guān)聯(lián)系，但是因原料煤來源的復(fù)雜性和燃料煤來源特點(diǎn)，均需要利用配煤手段，在有限的條件下盡可能降低原料煤、燃料煤消耗。

(2)通過近幾年的努力，雖然取得了一定的成果，但仍需利用先進(jìn)的信息化手段進(jìn)一步對(duì)原料煤、燃料煤配比進(jìn)行研究，下一步準(zhǔn)備通過引入煤炭準(zhǔn)入系統(tǒng)，有效保證煤炭質(zhì)量，合理優(yōu)化原料煤、燃料煤配比，降低生產(chǎn)成本，完成能耗控制指標(biāo)，同時(shí)為成本分析提供有效數(shù)據(jù)支撐。