五環氣化爐兩元配煤研究及應用

張家超

(河南龍宇煤化工有限公司， 河南永城 476600)

中國五環工程有限公司與河南能源有限公司(簡稱河南能源)合作開發了具有國內自主知識產權的新型五環爐(WHG)煤氣化工藝，其煤氣化裝置——五環氣化爐在河南能源下屬的永城園區投產。WHG干煤粉氣化技術的原料為干煤粉，采用氣流床加壓氣化、液態排渣、濕法洗滌，具有適用原料煤種范圍廣、碳轉化率高、氧耗低、粗煤氣中富含大量水汽等優點[1]。永城園區地處中國六大無煙煤基地之一的永城礦區，煤炭資源豐富。五環氣化爐雖然煤種適應性廣，但是在生產的過程中經常因煤種的原因造成激冷段積灰、排渣系統堵渣、氣化爐內件燒壞等現象。由于永城本地煤灰分質量分數高、灰熔點高，因此五環氣化爐無法單一使用永城本地煤；從煤種使用成本及供應穩定性方面考慮，需要采用配煤的方式來解決這些問題。

1 技術特點

該煤氣化裝置單臺五環氣化爐的生產能力為6.9萬m3/h(以CO+H2計)，主要生產原料為煤和O2，其中煤來自原料煤貯運系統，O2來自空分裝置。五環氣化爐的主要技術特點為：

(1) 采用干煤粉進料，加壓N2/CO2輸送，連續性好，氣化爐操作穩定，原料煤種范圍廣；但是要求盡可能保證進料煤質的穩定性。

(2) 氣化溫度為1 400～1 600 ℃,碳轉化率高達99%以上，產品氣體潔凈，煤氣(干氣)中有效氣體(CO+H2)體積分數達到90%左右。

(3) 氧耗低。與水煤漿氣化相比，WHG煤氣化的氧耗低15%～25%，配套的空分裝置投資少。

(4) 氣化爐采用水冷壁結構，無耐火磚襯里，維護量較少。反應室內表面設有銷釘和耐火材料，運行時以渣抗渣，保護氣化爐內件。

(5) 在輸氣管出口設置激冷罐，采用水浴，取消殼牌煤氣化中合成氣冷卻器、干法除塵和回收系統，用循環灰水激冷，對粗煤氣進行降溫和除塵，大幅度降低了工程投資[2]。

(6) 黑水處理采用三級閃蒸流程，灰水經過閃蒸濃縮、絮凝沉降后循環利用，循環灰水在減濕器內和中壓閃蒸汽直接換熱，提高了運行可靠性。中壓閃蒸汽去除氧器作為熱力除氧的熱源，提高了能量利用率。

2 煤質的影響

煤質的穩定性，以及WHG煤氣化工藝對煤質的要求，是五環氣化爐長周期穩定運行的關鍵。從五環氣化爐運行以來的記錄數據分析，非計劃停車中超過一半以上與煤質有關。煤質對五環氣化爐工況的影響，包括水分質量分數、灰分質量分數、灰熔點、固定碳質量分數、揮發分質量分數等，突出表現在原料煤灰分質量分數和灰熔點方面[3-4]。

灰分質量分數過高將造成渣水系統和灰水處理系統負荷高，燃燒狀態的波動會造成五環氣化爐合成氣激冷段積灰、濕洗塔塔盤結垢、激冷罐積泥及其排放水管線結垢或堵塞等一系列問題。裝置運行一段時間后，系統壓差增加導致氣化爐操作壓力偏高，影響氣化爐的長周期高負荷運行。為延緩塔盤結垢，需要增加新鮮工藝水的補充量，造成五環氣化爐水耗增加，分散劑和絮凝劑等輔材用量也相應增加，增加了后期運行維護成本。

灰熔點過高或者過低，氣化溫度超出了五環氣化爐的操作窗口，造成氣化爐爐溫波動，導致氣化爐內件燒壞或出現堵渣的情況。高揮發分質量分數的煤易發生自燃，為了存儲安全，要求揮發分質量分數在30%以內。五環氣化爐的有效氣產量與煤的固定碳質量分數有關，一般固定碳質量分數越高，有效氣產量越大。為了提高五環氣化爐的有效氣產量，要求固定碳質量分數在50%以上或者收到基低位發熱量大于23 027.4 J/g。

3 永城本地煤質量指標

以永城本地A煤礦的煤作為五環氣化爐的本地煤源。A煤的分析質量指標見表1。五環氣化爐選用本地煤的質量指標要求見表2。

表1 A煤的分析質量指標

表2 永城本地煤選用的質量指標標準

4 外地煤選用的依據

考慮到2種煤的氣化溫度相差較大易造成氣化反應后移的情況，選用外地煤時盡量選用與本地煤氣化溫度相差不超過150 K，即煤階相近的煤種。本地煤與外地煤配煤時，兩者只是簡單的物理過程，兩種煤各自的性質并沒有發生改變，但是氣化反應后的渣組分發生了變化。一般要求渣的黏度在5～25 Pa·s。渣的黏度過小，氣化爐內壁不容易掛渣，或者出現垮渣，易造成氣化爐內件損壞;渣的黏度過大，形成的渣塊大，易造成排渣系統堵渣，導致氣化爐停車。

鑒于本地煤的灰分質量分數和灰熔點偏高，選用外地煤時盡量選用灰分質量分數和灰熔點相對低的煤種。

經過多次對山西和陜西煤礦進行考察后，選用陜西彬縣煤作為配煤的首選。

5 本地煤與外地煤兩元配煤方法

兩元配煤后根據硅鋁比添加一定比例的石灰石作為助熔劑來調整配比后煤的灰熔點。一般硅鋁比越高，需要添加的石灰石越多。本地煤選用A煤，外地煤選用彬縣煤，按照A煤和彬縣煤質量比為1∶1，添加2%(質量分數，下同)石灰石，進行兩元配煤，配煤分析數據見表3。若配煤比例不合適，調整比例后在實驗室進行新配比煤樣分析，根據分析的結果判定五環氣化爐是否可以試燒。

表3 A煤與彬縣煤配煤分析數據

兩元配煤后，五環氣化爐在操作時爐溫控制比較平穩，排渣比較順暢，渣水系統含固質量分數控制在1.5%以下。經過一段時間的試燒未出現激冷段積灰、氣化爐內件燒壞、渣水系統堵渣等情況。采用以上方法，逐漸探索合適的外地煤，經過多次配比研究和五環氣化爐試燒，確定了外地煤種的選用指標要求(見表4)。

表4 外地煤選用指標標準

6 兩元配煤存在的問題及優化

配煤中出現的主要問題是原煤煤質不穩或者摻配不均，造成原煤的黏溫特性變化較大，導致操作難度較大，氧煤比調整幅度較大，爐溫不穩定，出現掛渣不均、燒嘴罩泄漏等問題。從五環氣化爐的運行檢修情況來看，主要表現為煤種的不穩定造成的激冷罐積泥和下降管積灰問題。

一方面，通過宏觀調控的手段保證外地煤的穩定，并在內部管理上加強精準配煤以盡可能達到入爐煤質的相對穩定；另一方面，煤的質量直接影響到灰水水質和灰水系統運行的穩定。工藝調整中，操作員根據氣化爐的負荷及時地調整循環灰水量，通過優化藥劑配方和添加量來保證水質的正常，盡可能延緩管線和設備的結垢。2020年，單臺五環氣化爐運行周期進一步延長，達到了A級運行288 d的良好成績。

7 結語

(1) 通過兩元配煤的研究解決了五環氣化爐的用煤問題，保證了五環氣化爐的操作穩定。使用合適的兩元配煤后五環氣化爐未出現激冷段積灰、燒壞內件的情況。

(2) 通過兩元配煤降低了單一使用外地煤的成本，降低了生產成本，提高了經濟效益。

(3) 通過兩元配煤的研究確定了外地煤的選用指標，為選用外地煤提供基礎參數。

(4) 兩元配煤的成功為下一步研究多元配煤奠定了基礎，可以進一步改善五環氣化爐激冷罐積泥情況，實現五環氣化爐長周期、高負荷安全穩定運行的目標。