水煤漿加壓氣化爐原料煤摻配試用總結

王明蘭,滿孝輝,于偉然

(聯(lián)泓(山東)化學有限公司, 山東滕州 277527)

1 概況

聯(lián)泓(山東)化學有限公司(簡稱聯(lián)泓化學)煤氣化項目采用國內(nèi)擁有自主知識產(chǎn)權的煤化工技術——對置式水煤漿加壓氣化技術,實現(xiàn)多聯(lián)產(chǎn)、節(jié)能減排和清潔生產(chǎn),具備90萬t/a甲醇的生產(chǎn)能力。

原料煤作為煤制甲醇的核心氣化原料,近年來價格持續(xù)高位。為保證氣化爐安全穩(wěn)定運行,提高原料煤使用性價比,聯(lián)泓化學尋求新煤源進行試燒。2022年摻燒煤種及其占比見表1。

表1 2022年摻燒煤種及其占比

由表1可以看出:2022年全年原料煤共計到貨1 315 856.40 t。公司全年共摻燒15種原料煤,其中主力煤種由2021年單一的黃陶勒蓋煤改為榆陽煤(占總使用量的28.44%)、金雞灘煤(占總使用量的25.75%),錦丘煤作為固定配煤占總使用量的14.41%,其余為配煤煤種。

2 摻配煤種主要指標

2.1 榆陽煤

榆陽煤灰分質(zhì)量分數(shù)一般為7%～9%,發(fā)熱量一般為24 900～25 950 J/g,灰熔點為1 100～1 165 ℃。2022年入廠榆陽煤分析數(shù)據(jù)見表2。

表2 2022年入廠榆陽煤分析數(shù)據(jù)

2.2 金雞灘煤

金雞灘煤灰分質(zhì)量分數(shù)一般為5.5%～8.9%,發(fā)熱量一般為25 320～26 580 J/g,灰熔點為1 110～1 220 ℃。2022年入廠金雞灘煤分析數(shù)據(jù)見表3。

表3 2022年入廠金雞灘煤分析數(shù)據(jù)

2.3 錦丘煤

錦丘煤灰分質(zhì)量分數(shù)一般為5.5%～9.0%,發(fā)熱量一般為26 780～28 460 J/g,灰熔點為1 230～1 300 ℃。2022年入廠錦丘煤分析數(shù)據(jù)見表4。

表4 2022年入廠錦丘煤分析數(shù)據(jù)

其他摻燒煤種分析數(shù)據(jù)不再列表。總之,通過煤種煤質(zhì)分析數(shù)據(jù),制定合適的摻燒配比方案,才能保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運行。

3 配煤摻燒配比

2022年煤炭供應緊張,主力煤種不確定,配煤種類多,到場煤炭質(zhì)量不穩(wěn)定(灰熔點偏高、灰分含量偏高、顆粒不均勻等),同時到貨數(shù)量不固定。為了穩(wěn)定入爐煤質(zhì)量,保證氣化爐安全穩(wěn)定運行,需要根據(jù)每個煤種的工業(yè)分析質(zhì)量指標(重點是灰分含量、灰熔點)及數(shù)量、煤炭黏溫特性制定煤炭摻燒方案,以確保混配后的入爐煤能夠滿足灰分質(zhì)量分數(shù)≤8%、灰熔點<1 200 ℃、發(fā)熱量≥25 000 J/g的要求。

全年試燒新煤種8種,更改配煤方案70次,平均每天使用5種以上原料煤,最多時達到9種原料煤同時摻配。2022年原料煤月度摻配消耗占比見表5。

表5 2022年原料煤月度摻配消耗占比

通過對煤種煤質(zhì)的分析,合理調(diào)整摻配方案,全年煤炭配比摻混情況相對比較穩(wěn)定,灰分含量呈上升趨勢。煤灰分質(zhì)量分數(shù)一般為7%～11%,發(fā)熱量一般為25 115～26 370 J/g,灰熔點為1 110～1 180 ℃。2022年入爐煤分析數(shù)據(jù)見表6。

表6 2022年入爐煤分析數(shù)據(jù)

4 配煤摻燒的影響

多煤種摻燒帶來的煤質(zhì)變化及摻燒方案的多樣性,對氣化系統(tǒng)是巨大的挑戰(zhàn)。通過觀察現(xiàn)場排渣樣,測量爐壁溫,及時總結分析不同煤炭摻配方案執(zhí)行效果,為工藝操作調(diào)整積累經(jīng)驗,保障生產(chǎn)穩(wěn)定運行。

4.1 發(fā)熱量對甲醇產(chǎn)量的影響

原料煤低位發(fā)熱量降低后,會增加原料煤消耗量,導致氧耗、水耗、“三劑”消耗及渣量增加[1]。同時,原料煤低位發(fā)熱量越低,產(chǎn)量越低。

通過對發(fā)熱量和粗甲醇日產(chǎn)數(shù)據(jù)進行整理,滿負荷下粗甲醇日產(chǎn)量(y)與煤發(fā)熱量(x)約成線性關系:y=0.198 9x+1 871.5,即滿負荷下發(fā)熱量每降低200 J/g,粗甲醇日產(chǎn)減少9.9 t。

4.2 灰分含量對甲醇產(chǎn)量的影響

灰分是指煤中所有可燃物質(zhì)完全反應后,其中的礦物質(zhì)在高溫下分解、化合所形成的惰性殘渣,是金屬氧化物、非金屬氧化物和鹽類的混合體。灰分雖然不直接參加氣化反應,但是需要消耗煤在氧化反應中所產(chǎn)生的反應熱用于灰分的升溫、熔化及轉(zhuǎn)化。灰分含量越高,煤的總發(fā)熱量越低,甲醇產(chǎn)量就越低[2]。

相對于入爐煤灰分分析,煤漿灰分分析具有誤差小、頻率高、及時準確的優(yōu)勢,故本次分析以煤漿灰分為基準。表7為不同灰分區(qū)間的粗甲醇日產(chǎn)情況。由表7可以看出:粗甲醇日產(chǎn)量與灰分含量成反比。

表7 不同灰分區(qū)間的粗甲醇日產(chǎn)情況

4.3 配煤對氣化系統(tǒng)水質(zhì)的影響

為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行,避免管道結垢或腐蝕,工藝設計要求系統(tǒng)水質(zhì)pH控制在7～9。通過分析,當摻燒A煤時系統(tǒng)水質(zhì)出現(xiàn)明顯變化,pH持續(xù)降低,對管道設備有腐蝕趨勢,該煤種不適合摻配使用。表8為不同配煤方案下pH對比,其中:方案1為(榆陽煤+金雞灘煤)∶石拉烏素蒙塊∶方家畔煤∶錦丘煤∶陜煤(質(zhì)量比)=20∶6∶4∶7∶3;方案2為(榆陽煤+金雞灘煤)∶方家畔煤∶錦丘煤∶杭來灣原料煤∶陜煤(質(zhì)量比)=15∶7∶5∶10∶3;方案3為(榆陽煤+金雞灘煤+銀河礦末煤)∶方家畔煤∶陜煤∶錦丘煤∶A煤(質(zhì)量比)=20∶5∶5∶7∶2;方案4為(榆陽煤+金雞灘煤+銀河礦末煤)∶方家畔煤∶錦丘煤∶(杭來灣原料煤+石拉烏素蒙塊)∶西灣原料煤(質(zhì)量比)=24∶5∶3∶5∶3。

表8 不同配煤下pH對比

4.4 灰熔點對運行的影響

多噴嘴對置式水煤漿氣化爐采用氣流床加壓氣化技術,液態(tài)排渣以避免渣口堵塞,順暢排渣是氣化爐正常運行的重要保證。煤灰熔融特性、黏溫特性、臨界黏度溫度是四噴嘴氣化爐渣口堵塞的主要影響因素。正常情況下,熔渣黏度控制在15～25 Pa·s,當操作溫度低于臨界黏度溫度時,灰渣黏度變化較大,流動性變差,導致渣口堵塞,氣化爐超溫超壓逼迫停車。

2022年11月15—21日試用B煤,配煤方案5為(榆陽煤+金雞灘煤+銀河精煤)∶錦丘煤∶(石拉烏素蒙塊+杭來灣原料煤)∶B煤(質(zhì)量比)=24∶7∶5∶4。表9為方案5中B煤的入廠分析結果。

表9 方案5中B煤的入廠分析結果

由表9可以看出:B煤組分變化較大,煤質(zhì)不穩(wěn)定。試燒過程種氣化爐渣口堵塞嚴重,氣化爐爐溫劇烈波動,氣體成分失調(diào)且波動較大,氣化渣拉絲結塊嚴重,嚴重威脅氣化爐穩(wěn)定運行。為解決渣口堵塞問題,維持氣化爐穩(wěn)定運行,在控制煤漿濃度穩(wěn)定的前提下,通過優(yōu)化氧量來提高爐溫,A爐爐溫最高提升至1 360 ℃,B爐爐溫最高提升至1 407 ℃,均超過工藝設計溫度(工藝設計最高操作溫度小于1 350 ℃)。氣化爐操作溫度升高,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[3]。

根據(jù)氣化爐運行情況和相關數(shù)據(jù)可知,B煤的灰熔點雖然不高,但是黏溫特性(見圖1)較差,操作溫度高達1 351 ℃(高于設計值),不適合用做氣化用煤。

圖1 B煤黏溫特性

4.5 灰分含量對運行的影響

灰分含量的增加不僅會增加比煤耗、比氧耗和單耗,還會增加粗煤氣中的灰渣含量,加劇對爐磚的沖刷及爐磚的燒蝕。粗煤氣在洗滌塔的洗滌效果降低,導致粗煤氣帶灰,影響變換催化劑的使用壽命。高灰分含量煤漿的黏溫特性一般較差,爐溫控制難度大,易導致燒嘴煤漿壓差波動。長時間或者頻繁的燒嘴壓差波動會引起燒嘴端面霧化不均勻,導致燒嘴及燒嘴室爐磚燒蝕加劇,大大降低燒嘴及燒嘴室周圍爐磚的使用壽命,嚴重時甚至會燒穿燒嘴。為保證正常排渣,將相應提高爐溫;高灰分含量、高爐溫的工況會導致爐磚燒蝕速率成倍增加。高灰分含量、高爐溫沖刷下的耐火磚見圖2。

圖2 高灰分含量及高爐溫沖刷下的耐火磚

煤灰分含量高易導致系統(tǒng)水質(zhì)較差,促使系統(tǒng)出現(xiàn)結垢積灰;氣化爐激冷室內(nèi)部積灰,渣口壓差高,威脅系統(tǒng)長周期運行。正常情況下僅破沫條上部少有積灰,當灰分質(zhì)量分數(shù)較高(>9%)時,激冷室積灰嚴重。圖3為不同灰分含量下激冷室積灰對比。

(a) 低灰分含量

灰分含量高,加劇了運轉(zhuǎn)設備、管線、閥門的磨損程度。生產(chǎn)過程中,撈渣機刮板和鏈條經(jīng)常出現(xiàn)故障導致氣化爐減負荷運行搶修;澄清槽底流泵至真空過濾機管線經(jīng)常磨穿;激冷水泵出口平衡管發(fā)生泄漏,需要倒泵隔離焊接[4]。

5 結語

通過對發(fā)熱量和粗甲醇日產(chǎn)數(shù)據(jù)進行整理,滿負荷下粗甲醇日產(chǎn)量與煤發(fā)熱量約成線性關系,滿負荷下熱值每降低200 J/g,粗甲醇日產(chǎn)減少9.9 t。而粗甲醇日產(chǎn)量與灰分含量成反比。灰分含量的增加不僅會增加比煤耗、比氧耗和單耗,還會增加粗煤氣中的灰渣含量,加劇對爐磚的沖刷及燒蝕。煤灰分含量高易導致系統(tǒng)水質(zhì)變差,造成系統(tǒng)結垢積灰;氣化爐激冷室內(nèi)部積灰,渣口壓差高,威脅系統(tǒng)長周期運行。原料煤灰分質(zhì)量分數(shù)控制在7%～8%時,氣化爐運行相對比較經(jīng)濟;灰分含量增加時,影響氣化爐水質(zhì)、爐磚、燒嘴等一系列問題。

通過對運行數(shù)據(jù)進行分析,當摻燒A煤時系統(tǒng)水質(zhì)出現(xiàn)明顯變化,pH持續(xù)降低,不適合用做氣化用煤。B煤黏溫特性差,操作溫度高(高于設計值),不適合用做氣化用煤。

通過梳理原料煤、甲醇產(chǎn)量、單耗、價格關系,建立多煤種智能摻配模型,可以在基礎數(shù)據(jù)輸入后自動呈現(xiàn)經(jīng)濟性數(shù)據(jù)。