煤質變化對水煤漿氣化爐穩定運行的影響

＊楊會萍

（陜西神渭煤炭管道運輸有限責任公司 陜西 714000）

水煤漿加壓氣化是指氧氣和原料水煤漿在高溫高壓條件下出現化學反應的過程。目前，水煤漿加壓氣化爐最常用液態熔融排渣方法，呈現出氣固產物共存狀態，經過燃燒室下部的激冷室中，氣體產物經過除塵和降溫操作后，被運輸到下游工序環節，從而實現凈化工作。同時，系統中所產生的大量黑水被直接注入到三級閃蒸系統和沉降系統中，主要目的是實現熱量回收和灰水再生。基于此，本文以甘肅華亭煤電股份有限公司煤制甲醇分公司為主要研究對象，來分析多元料漿汽化爐所使用的原料煤組分，合理利用Aspen Plus軟件來真實模擬多元料漿氣化爐，結合日常生產實際情況，來探究不同環節給氣化爐穩定性帶來的影響[1]。

1.水煤漿氣化爐水工藝流程

（1）流程簡述。德士古煤氣化技術具有產氣品質高、整體熱效率高、煤適應性強等特征，但由于煤氣化裝置介質過于復雜，不同損傷機制間相互影響，導致其經常出現開裂、腐蝕等問題，給日常生產工作帶來嚴重影響。常用生產方法是將原料煤和水倒入濕式棒磨機中，將其研磨成質量分數在60%左右的水煤漿，再通過泵加壓后傳輸到氣化爐中，和氣化爐空分裝置中的氧氣相互混合，在持續加壓條件下煤中碳物質被氧化，從而生成各種氣體，如CO2、CO、CH4等氣體。這些氣體經過激冷室水資源降溫后傳輸到文丘里洗滌器和碳洗塔中，進行二次洗滌除塵工作，粗煤氣被運輸到變換工段。

圖1 水煤漿氣化爐水工藝流程

（2）GE工藝燒嘴。GE工藝燒嘴（GE水煤漿氣化工藝燒嘴）是利用三流道外混式噴嘴，外環隙和中心管運輸氧氣，中層環隙運輸水煤漿。當燒嘴在1350℃高溫環節下進行工作時，為保證工藝燒嘴安全性，工作人員可在燒嘴上設置冷卻水盤管和頭部水夾套，避免高溫損壞燒嘴。燒嘴冷卻水分離罐利用低壓氮氣作為CO分析的載氣，通過放空管排到大氣中。同時，在放空管上安裝CO監測器，實時檢測CO含量，判斷燒嘴是否被燒穿。

2.氣化爐渣口堵塞問題

在企業日常運行過程中，由于原材料煤供應穩定性不足，再加上灰分占比達到16.6%，灰熔點溫度上升到1480℃，導致五臺水煤漿氣化爐均出現嚴重的堵渣問題。同時，在后期生產時，氣化爐內部氧煤比通常處于500m3/m3，為確保氣化爐排渣工作能順利進行，在原料煤煤質出現波動時，工作人員應將氧煤比控制在520～540m3/m3范圍內，其中出口環節粗煤氣中甲烷含量降低（100～200）×10-6。從目前水煤漿氣化爐實際運行情況來看，由于原料煤煤質出現不同程度的波動，給工作人員日常管理帶來嚴重阻礙，主要原因是灰熔點和原料煤灰分相對較高，且有5臺機器在氣化爐渣口環節出現嚴重縮小問題，爐內壓力過高，遠超洗滌塔自身壓力，導致燒嘴法蘭經常出現泄露問題。同時，在正常情況下氧氣壓力會處于穩定狀態，一旦氣化爐中壓力大幅度增加，會降低氧煤比含量，從而影響到氣化爐的排渣功能，降低排渣口，給系統日常運行效率帶來嚴重阻礙，導致工作人員不得不選擇提高氧煤比。針對該種情況，工作人員可將紅柳林煤應用于德士古氣化爐中，其在國家煤炭戰略布局上屬于神東基地，屬特低-低硫、特低-低灰、特低磷、中高發熱量、高揮發份煤，粘溫曲線較好，有利于排渣和降低氧耗，操作彈性大、化學活性高。在灰分、工業分析固定碳、元素分析碳元素含量、灰熔點方面具有絕對的優越性，而且內水含量較低、灰成份CaO含量較高，有利于制漿濃度的提高和助熔劑用量的降低。其中Cl元素含量較高，不利于灰水系統設備的運行。紅柳林煤在灰分為8.10%～10.13%時，灰熔點穩定在1240℃。

3.德士古氣化爐運行不穩定性因素分析

(1)GE工藝燒嘴對氣化爐運行的影響

德士古燒嘴作為德士古煤氣化工藝的核心設備，氣化爐操作環境非常惡劣，很容易受到熱輻射、高溫環境、固體沖刷等因素影響，導致工藝噴嘴頭部出現龜裂問題，甚至被燒穿，需要工作人員對噴嘴進行定期檢修。因此，工藝燒嘴壽命時氣化裝置運行的重要因素，提高燒嘴使用壽命是各生產廠家的目標。目前，影響其使用壽命因素主要包括燒嘴材質、結構、煤的質量等因素，工藝燒嘴要利用耐磨性好的材質，要求其具備較強的耐高溫和抗氧化性能。硫作為影響燒嘴壽命的主要因素，煤中具有一定的硫元素，而燒嘴材質中有鎳元素，一旦兩者處于高溫環境中會自動相互結合，從而生成硫化鎳，給燒嘴造成嚴重腐蝕。因此，工作人員要提高對原料煤中硫含量的控制力度，來降低腐蝕速度，減少換燒嘴的頻率。

(2)原料煤中水分含量對氣化爐運行的影響

原料煤中的水分是由內水和外水組成，外水含量高低和水煤漿制備過程有直接聯系，水煤比穩定性控制難度系數較高，煤漿濃度波動幅度較高；內水是不同煤相互結合的水分，其含量高低決定著水煤漿成漿性能。在日常生產過程中，工作人員將兩者水分結合體稱作全水，通常被作為控制水煤漿制備中水煤比的重要標準。一旦原料煤中全水數量超過標準值，很容易導致氣化工段煤倉原料煤產生架橋現象，原料煤因架橋問題無法及時傳輸到磨煤機，無形中降低水煤漿濃度，低濃度水煤漿在氣化爐中進行水化反應時，會消耗大量氧氣和熱量，導致氣化爐日常生產所需氣量嚴重不足。另外，也會出現過氧的問題，給氣化爐日常運行埋下嚴重的安全隱患[2]。

(3)原料煤中灰分含量對氣化爐運行的影響

①氣化工段氣化爐頻繁減負荷。根據多元料漿氣化工藝設計情況來看，氣化爐熔渣通常是利用液態形式進行排渣，原煤灰分越高，在規定時間中經過氣化爐渣口的灰渣量越大，為保證氣化爐運行的穩定性，氣化環節必須在原煤灰分過高條件下，對氣化爐進行減負荷操作，還要提升氣化爐操作溫度和優化熔渣粘溫性能，來提高氣化爐液態排渣的通暢性。根據專業人員調查發現，甘肅華亭煤電股份有限公司煤制甲醇分公司在2020年時，氣化爐由于原料煤灰分含量過高，所產生的高減負荷操作次數達到52次，其中氣化爐負荷降低到最低負荷次數為3次，減少公司精甲醇產量1200t。針對該種情況，工作人員為優化熔渣粘溫特征，避免爐壁出現嚴重渣口堵塞、掛渣等現象，將氣化爐最高操作溫度上升到1380℃。

②氣化爐渣口堵塞。當原料煤灰分超過標準值時，在氣化爐負荷情況下通過渣口的灰渣量大幅度增加，導致氣化爐渣口很容易出現堵塞問題，一旦渣口被堵塞，渣口壓力提升，不僅會出現燒嘴法蘭和氣化爐爐壁產生超溫現象，還會讓很多工藝氣組出現大幅度波動，甚至工藝氣指標間歇性波動現象。如CO含量在38%～49%間波動、H2含量在31%～36%間波動，無形中增加后期合成裝置的工藝調整難度系數[3]。

(4)氣化工段設備頻發故障

如果原料煤灰分含量較高，很容易增加氣化灰渣數量、灰水中固含量、氣化黑水固含量等，不僅會提高各環節的磨損率，如閥門、灰水系統管理、黑水系統管道、設備等，甚至會出現管道堵塞現象，導致氣化爐停止運行，明顯增加氣化爐粗渣排放系統設備的故障率，尤其是氣化工段撈渣機故障率最高。據調查，在2020年5月至6月因氣化爐粗渣數量過高，所引起的氣化工段撈渣機故障問題就達到5次，撈渣機電流出現報警次數有50次。同時，原煤灰分高會降低氣化爐爐磚的使用時間，工作人員要進行提溫操作，來確保渣口的通暢性。但由于氣化爐操作溫度不斷提升，高溫氣體和熔渣會加強對氣化爐燃燒室耐火磚的磨損程度，從而縮短耐火磚日常使用年限，氣化爐操作溫度每提升100℃，耐火磚磨損速度增加兩倍。

(5)增加氣化反應的煤耗和氧耗

雖然灰分在煤氣化時不會出現任何反應，但需要處理煤在氧化反應中所產生的熱量，讓灰分升溫融化。因此，工作人員利用Aspen Plus軟件對多元料漿氣化爐進行真實模擬，在模擬過程中將進入氣化爐水煤漿質量分數控制在61%，氧氣溫度25℃，水煤漿進料溫度50℃，氣化爐爐膛溫度長期控制在1300℃，增加1000kg干基煤中的灰分，全面分析每千標方有效氣（H2+CO）的氧耗情況。經過工作人員分析發現，每提高1%的原煤灰分，比氧耗會增加0.7%[4]。

(6)氣化工段產氣量降低，影響氣化轉換率

由于原料煤中灰分數量不斷增加，很容易給反應產物熱量傳遞、擴散速度帶來不同程度的影響，嚴重阻礙原料煤固體表面和內部固定碳氣化反應，導致氣化爐所產生的工藝氣量會不斷降低，從而影響到氣化轉化率。原料煤灰分和有效氣含量間的關系如表1所示。

表1 氣化原料煤灰分和有效氣含量的關系

工作人員基于Aspen Plus軟件對多元料漿氣化爐進行真實模擬，在整個模擬中將氣化爐水煤漿質量分數控制在61%，氧氣溫度25℃，水煤漿進料溫度50℃，氣化爐爐膛溫度長期控制在1300℃，增加1000kg干基煤中的灰分，全面分析每千標方有效氣（H2+CO）的氧耗情況。經過分析，發現每提高1%的原煤灰分，有效氣含量降低18.75kmol。

4.渣口堵塞情況的預防措施

(1)關注表面熱偶溫度

在日常工作中，工作人員要實時關注氣化爐表面的熱偶溫度，針對氣化爐表面溫度過高部位，通過探測系統測量鋪設在氣化爐殼體上部，測量溫度元件能探測出連續線路中最高溫度的溫度傳感器。同時，氣化爐表面熱偶溫度是由錐底溫度、拱頂溫度、筒體溫度三種類型組成，一旦煤灰熔點出現明顯提高，會影響到其流動性，加上氣化爐錐底環節溫度和地域其他兩個環節的溫度，所以當煤灰流動到錐底環節時，會降低流動速度，形成堆積問題。在該種情況下，灰渣堆積環節會出現表面熱偶溫度大幅度降低問題，如果灰渣厚度累積到行業標準值，會由于重力因素導致煤灰自然脫離錐底[6]。

(2)關注粗煤氣組分情況

原料煤漿和氧氣會經過燒嘴進入到氣化爐中，在特定環境下出現氣化反應，從而產生有效氣，其含量通常要超過76%，成為粗合成氣。目前，氣化爐中煤炭出現反應情況過于復雜，主要分為三個步驟：第一，煤熱裂解后揮發分燃燒，水分被快速蒸發掉，煤粉易出現熱裂解問題，且釋放出大量揮發分，上述兩種物質在氧化劑作用下，能實現完全燃燒，釋放出大量熱量；第二，裂解產物氣化反應。在裂解工作全部完成后，燒焦環節和氧氣出現燃燒現象，且其他部分和水蒸氣產生氣化反應；第三，燒焦和水蒸氣、CO2出現氣化反應，從而形成C0和H2物質。同時，由于氣化爐渣口環節不斷縮小，水煤氣能停留在爐內時間逐漸增加，且爐中日常反應會出現不同程度的變化，無形中增加CO2的還原反應和變換逆反應，導致CO2氣體含量會出現持續降低現象。另外，下游系統中會因為出現大量CO，導致H2含量和甲醇產量降低，部分CO氣體會在系統內部進行循環，從而提高甲醇合成壓力[7]。

5.總結

綜上所述，在日常生產過程中，原料煤質量是控制氣化爐長期運行的重要因素，因工作人員對煤質掌握程度不足，在選擇汽化技術環節時忽略煤質對汽化爐運行的重要性，導致煤化工項目在后期投產后經常初選影響系統穩定性的問題。因此，企業要提高對原料煤質量的重視程度，根據設備運行實際情況制定合理的管理措施，將原料煤質量控制在合理范圍內，從而促進相關企業實現可持續發展。