煤質變化對四噴嘴氣化爐運行的影響分析

潘勝軍(江蘇索普新材料科技有限公司，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

水煤漿在氣化爐內燃燒過程較為復雜，主要分為裂解、燃燒與氣化反應三個階段，且氣化反應受煤質與煤種影響較大。在煤炭選擇時應加強質量控制，首選優質煤，并采用技術提高劣質煤的利用率。但在實際工作中，部分技術人員未能充分意識到煤質改變對氣化爐運行產生的影響，尚未采取有效應對措施，抑制了氣化爐的應用效果。對此，應從煤炭采購、人員素質、爐礦調節等方面著手，使氣化爐能夠更加安全穩定的運行。

1 水煤漿在氣化爐中的燃燒過程

1.1 熱裂解

在水煤漿與氧氣共同放入氣化爐后，水分快速蒸發變成水蒸氣，煤粉出現熱裂解反應并釋放出揮發份。上述環節的熱量供應源在于爐體環境高溫輻射出的熱量，以及反彈的高溫反應氣。在高溫環境下，裂解產物與易揮發物質得到充分燃燒，煤粉變為煤焦，并產生大量反應熱，在合成氣內沒有酚類、焦油、高分子烴類等物質的存在。

1.2 燃燒反應

在煤出現裂解反應后，產生的煤焦分為兩個部分：一部分與剩余氧氣接觸后產生燃燒反應，形成二氧化碳、一氧化碳等，釋放反應熱；剩余部分與水蒸氣接觸后產生氣化反應，形成氫氣和一氧化碳。在氣化爐中，氧氣消耗情況如下：與可燃氣體接觸后發生反應，占爐內總氧的10%左右；與煤焦反應后生成一氧化碳，占爐內總氧的30%左右；與煤焦發生反應后產生二氧化碳，占爐內總氧的60%左右。煤焦消耗與氧氣消耗相匹配，在燃燒后形成二氧化碳，占煤焦總量的30%左右，產生的一氧化碳占總量的30%，剩余40%左右煤焦沒有參與到燃燒反應中，而是直接加入到氣化反應中。

1.3 氣化反應

經過上述反應后，爐內氧氣基本被充分消耗完畢，此時需要進行煤焦、氧氣、水蒸氣的還原反應，產生氫氣與一氧化碳。該反應作為關鍵環節之一，在化學反應平衡方面難度較大，需要花費較多熱量與時間，且對氣化反應結果具有直接影響。在上述反應時間分配方面，裂解與燃燒反應占用時間較少，總時長不超過10%，氣化反應用時較長，通常超過90%。在爐內不同物質與碳接觸后反應速率不盡相同。例如，燃燒反應中碳與氧氣接觸后產生二氧化碳，其反應速率為10 000；在氣化還原反應中，碳與二氧化碳接觸后形成一氧化碳，反應速率為1；當碳與氧化氫接觸后生成一氧化碳與氫氣，反應速率為4。可見，燃燒反應中的速率最高，氣化還原反應最低，因此還原反應所需時間較長[1]。

2 煤質變化對水煤漿加壓氣化產生的影響

2.1 灰分含量

煤中的無價值成分被稱為灰分，含量越低煤的質量越高，在四噴嘴氣化期間，為了能夠順利以液態排出爐外，需要將溫度提高到灰熔點以上，但氣化反應自身無需在高溫狀態下開展，此舉在無形中增加了氧氣消耗，部分碳燃燒后變成二氧化碳，使反應溫度得以保障。據調查，在氣化反應條件相同情況下，每提高1%的灰分含量，氧氣消耗便會增加0.7%～0.8%，煤的消耗量也隨之增加1.3%～1.5%。灰分含量與煤的有效成分含量具有反比關系，當前者增加時，后者便會降低，還會加速耐火磚的磨損，縮短其使用壽命，使灰水中固含量提升，加劇對閥門、管道等部件的磨損，導致設備故障率發生率提升。此外，灰分含量還會影響成漿性能，導致煤質不夠均勻，煤漿添加劑性能降低，對于同一煤種來說，對煤漿濃度提升產生不良影響。為了提高成漿性能，使爐體能夠高效運行，應根據氣化爐廠家提供的標準煤質參數，再結合煤的種類的特殊性，盡可能將灰分含量控制在12%以內。

2.2 煤灰熔點

在氣化爐運行中，通常溫度超過煤灰熔點的50～100 ℃，因爐內耐火材料對溫度有所要求，需要將灰熔點控制在1 350 ℃以內。對品質良好的煤，其灰熔點相對較高，可利用石灰石粉等助溶劑，使灰熔點降低。在添加助溶劑時，應綜合考慮溶劑對熔渣、耐火材料、整體效益產生的作用，努力探索最佳助溶劑加入量。在熔化溫度檢測中，細致觀察煤灰堆積的椎體形狀與溫度變化間的關聯，總結出四種溫度特征，即初始變形、軟化、半球與流動。灰熔點通常是指流動溫度，其數值受灰的化學組成影響。根據日常煤灰分析可知，灰分占比在90%～95%之間的成分為氧化鈣、三氧化二鐵，其含量相對變化對灰熔點產生極大影響，可通過上述指標對粘溫特性進行研究。通常情況下，灰分內氧化鈣、氧化鐵的含量與灰熔點具有反比關系，氧化鋁、氧化硅含量與灰熔點具有正比關系。但因灰分并非以獨立物理形式存在，且結晶后產物結構有所區別，灰熔點差異并非較大，無法作為唯一判定準則。在煤種灰分熔融程度判斷時，多采用以下公式，當酸堿比位于1～5之間時，表示易熔，如若數值超過5，則表示難熔。

2.3 黏溫特性

該特性代表的是熔融后灰渣黏度與溫度間的聯系。煤渣在熔融后帶有一定的黏度，在煤種確定的情況下，受運行溫度的影響發生改變。在爐體受自重作用朝著下方流動，在流動期間氣流會產生一些作用力，這一特性可能為牛頓流體，也可能是非牛，主要由煤種與運行溫度來決定。為使煤渣能夠順利的排放出去，應將熔渣處于牛頓流體區間內運行，如若處于非牛區域，則爐體很可能結渣。對此，應確定運行溫度最低值，即臨界溫度。因煤種有所區別，黏溫特性方面也不盡相同，部分煤種在特定溫度區間灰渣黏度改變不夠顯著，氣化運行溫度區間較寬，即便運行溫度與設定值相差較大，也不會對氣化反應產生過大負面影響；部分煤種對溫度變化較為敏感，一旦運行溫度稍微偏離標準值，灰渣黏度便發生強烈改變，這要求操作者加強重視，避免因溫度過低影響灰渣的順利排出。對于水煤漿來說，多利用液態排渣的方式，運行溫度與黏度具有反比關系，可促進灰渣流動，但若黏度過低，爐磚侵蝕速度便會加快。對此，根據生產經驗可知，當運行溫度超過1 400 ℃后，每提高20 ℃，耐火磚熔蝕速度便會提高1倍。當溫度下降后，灰渣黏度提升，嚴重影響流動性，致使出口受到堵塞。可見，應將黏度適中控制在最佳區間，根據灰渣黏溫特性控制爐體運行溫度，一般超過煤灰熔點的50～100 ℃。

2.4 煤的成漿性

該指標是指煤炭研磨后產生煤漿性能品質，對水煤漿特性產生影響，包括煤粉粒度構成、煤質特性、添加劑數量等方面。通過元素含量分析可知，O/C比對成漿性影響最高，O/C比增大，成漿性較弱。煤中O/C比可將含氧官能團的含量展現出來，如羥基-OH。在煤質發生改變后，O/C比降低，極性官能團也隨之降低，成漿性提升。因極性官能團較高，在煤的外表擁有較強的電性與親水性，附著許多水分子，以水化膜的形式包裹在表面，使可流動水量降低。此外，煤外表還帶有負電，極性官能團含量與電性具有正比關系，使外表對陰離子型添加劑的吸附量降低，影響成漿效果。

2.5 其他影響

除上述指標之外，在氣化爐運行中還會受到其他指標的影響，具體如下。

(1)揮發份含量。當煤質中揮發份含量越高時，氣化反應便會越順利，煤氣產率也會隨之提升，但并非是越高越好，在超過某一數值后煤種便容易自燃，增加儲存難度。揮發分與煤質變化程度相關，新煤的揮發份含量相對較高，反應活性較強。

(2)全水分含量。該項指標越低，氣化反應效果越好，含水量最大值不要超過8%，該指標與揮發份有所關聯，在揮發份指標處于20%～30%之間時，內在水分含量最低；當揮發份指標超過30%后，二者具有正比關系；當揮發份低于20%時，二者具有反比關系[2]。

(3)可磨性。當煤質發生改變后，其硬度和可磨性均會隨之變化，使磨機負荷增加，磨出的煤漿質量可能與要求不符。如若進磨機煤粒加大，磨機出口處粗顆粒增加，原煤損耗量提高，加上煤漿粒徑較大，難以生產出濃度符合要求的煤漿，還可能導致燒嘴煤漿環縫隙位置受堵；如若進煤機的煤粒縮小，可能因過度粉碎增加煤漿黏度，影響整體穩定性，進而阻礙后續煤漿輸出與霧化。

3 煤質變化的有效控制措施

3.1 保障優質煤供應穩定

化工廠應加強煤炭質量供應管理，從源頭上加強管理，確保優質煤的穩定供應。在市場中選取資質齊全、誠信可靠的供應商，與其簽訂長期供貨協議，嚴格落實各項煤炭產品質量管控措施，實施責任制度，各個環節都要派遣專業人員進行檢定把關，確保煤炭品質優良，供應及時且穩定。此外，還應不斷開辟優質煤源市場，提高市場敏感度，利用大數據技術采集市場前沿信息，及時準確的開展煤產品質量檢測工作，將灰分低、有效成分高的優質煤供應給氣化爐車間，便于生產人員選擇合適的品種，確保氣化爐的持續高效運行。如若優質煤無法做到穩定供應，可利用先進技術提高煤質，如：混燒、摻燒、配煤等，通過配煤燃燒實驗，對爐體穩定運行參數進行確定，對不同煤種進行混燒、摻燒等，由此提高煤的質量，提高劣質煤的利用率，節約氣化爐運行成本。

3.2 注重爐礦調節與煤管理

當煤質發生改變后，應及時調整工況，注重爐體溫度控制，密切觀察爐壁外表溫度、氣體成分、渣樣等，使氣化爐能夠穩定運行。同時，還應注重煤產品的管理、儲存與運輸，采取有效手段預防存儲煤風化與自燃。在儲存時，確保環境溫濕得宜，按照種類不同分別堆放，對粒徑較大的煤需要碾碎存儲。一旦發現煤質發生改變，應對氣化爐運行情況進行檢查，查看渣口溫度、爐壁溫度、合成氣成分等，將各項指標綜合分析結果上報給操作者，便于科學調節與管控，提高煤炭資源利用率，保證氣化反應效果。根據生產運行經驗，在新煤放入倉庫1.5 h后，大煤漿槽中便會新煤進入，在2.0 h左右新煤便會進入氣化爐中。因大煤漿槽發揮緩沖作用，在煤質發生改變后無法立即影響運行參數，而是循序漸進的過程，如若在量變期間出現異常，應對爐體溫度準確調節，避免爐礦惡化。在新煤種投入使用后，要求中控人員細致觀察、科學操作，觀察煤

種變化產生的影響，可通過觀察渣口壓差變化判斷灰熔點是否提升。當發現爐運行參數出現異常，應通知現場人員進行爐渣查驗與分析，根據分析結果與相關工藝參數變化，做出科學準確的判斷。

3.3 提前應對煤種變化

在氣化爐運行中，改變以往事后應對的方式，做到提前應對煤種變化。在事先得知煤質或品種發生變化時，生產部門與車間應發出正式通知，并在交接班記錄中做好標記，使一線人員能夠提前做好準備，要求各崗位人員密切關注參數變化情況，及時調整各項指標，如：煤漿濃度、精煤灰熔點、灰水水質等，預測可能出現的問題，并提早發現和處理，使系統始終處于穩定運行階段，避免安全隱患發生。在實際工作中，操作者應密切分析工藝參數，全面掌握煤的灰熔點、煤漿濃度、水分、黏度等指標，在發生異常情況后及時發覺，剖析原因，并調整到合理范圍，確保系統穩定運行。

3.4 提高運行操作者技術水平

加強對從業者的管理培訓，使其掌握更多操作技能，當煤質發生改變后，應及時調整研磨水量與添加劑量，確保水煤漿質量滿足設計要求。技術人員還應密切監控氣化爐運行狀態，包括渣口壓差、合成氣成分、爐壁溫度等，合理調節參數，積累操作經驗，確保爐體在任何燃燒條件下都能夠穩定運行。在煤質發生變化后，現場人員與中控技術員需要協調配合，掌握整個系統運行狀態，中控人員應對爐溫、渣口壓差等關鍵指標變化趨勢進行全面了解，根據特定時段內爐況走勢以及現場人員調查，尋找最佳爐況，以較高的技術水平從容應對煤質變化對氣化爐運行產生的影響，使氣化生產持續開展。

4 結語

綜上所述，當前煤炭資源需求量激增，經常出現供應不足情況，煤質隨時會發生改變，對氣化爐運行帶來較大影響。在實際運行中，應加強灰分含量、煤灰熔點、黏溫特性、煤的成漿性等指標的觀察，制定科學可行的管控措施，有效避免灰渣堵塞、儲煤受潮或自燃等不良事件發生，通過持續不斷的摸索與實踐，確保整個氣化爐系統正常運行，取得更多經濟效益。