配煤对水煤浆气化炉运行的影响

摘 要：我国具有丰富的煤炭资源，占世界可供利用的储存总量的11.67%，位列全球第三。同时，煤炭也是我国使用最广泛的能源与原料，煤炭占有率在一次能源生产和消费结构中始终保持着50%以上。因此，配煤作为保证煤炭质量，提升利用效率的有效工序，其应用与研究始终是相关从业人员的重点思考方向。本文首先对配煤的相关概述进行介绍，之后从水煤浆气化炉角度出发，多方面谈论配煤对其设备及运行的影响。

关键词：水煤浆加压气化炉;配煤;工艺效果

0 引言

目前，水煤浆在气化过程中应用最多的设备是水煤浆加压气化炉（coal-water slurry pressurized gasifier），其具有煤种适应性广、连续生产能力强、合成气质优良、安全性能稳定等优点。想要充分发挥水煤浆气化炉的各项优点，对于源头的配煤工序要做出十分严格全面的要求。煤渣的流动性、煤质的稳定性、煤灰的熔煤特性等等，都是在工艺生产及管控中需要重点关注的对象。

1 配煤理论概述

配煤，顾名思义，是在煤中混入一定的添加物，以起到确保煤炭质量，合理高效利用煤炭资源，节约优质炼焦煤的作用。混入的煤质不一定局限于添加剂类，也包括了其他种类的煤，混合过程中可以是两两混合，也可以是多种混合。

早在十九世纪五十年代，煤炭行业为解决“粘结性过剩”的问题，首次将配煤技术投入实际应用。进入二十世纪，焦煤与强粘结性煤短缺的问题日益凸显，从而进一步推动了配煤技术的发展。之后，煤岩学逐渐与配煤技术相结合，促进了其科学研究，科学发展的进程。

如今，在我国煤炭资源分布不平衡，部分地区运输条件受限，煤炭利用效率不高的大环境下，进一步深化配煤技术的研究与应用，具有十分重要的意义：

①可以充分调节燃煤过程中硫份、氯、氟等有害气体的排放，符合环境保护的迫切需求;

②针对我国煤炭资源分布具有较大的区域化差异，各地煤炭的灰分、硫分含量有所差别，采用不同的配煤方案实行炼焦，能切实煤炭资源的有效利用，满足行业需求，缓和供需冲突。

一般来说，可以就配煤过程建立数学化模型，形成在一定约束条件下求极值的模式。其中，约束条件中很重要的一环就是设备本身对配煤参数的限制。

2 配煤对水煤浆气化炉运行的影响

配煤对于气化炉各个部分都会产生影响，包括气化炉耐火砖、气化炉内件、气化炉烧嘴等等。

2.1 配煤对气化炉耐火砖的影响

气化炉耐火砖具有耐热性能好，强度高，体积密度小，导热系数低等优点，但是，耐火砖的价格昂贵，更换维修时间长。因此，在实际生产应用中，要尽可能延长耐火砖寿命。在部分企业变更配煤方案后，常常会发生耐火砖表面烧蚀，产生裂缝磨损等缺陷。

在对耐火砖的烧蚀速率进行测算时，常常利用以下公式进行计算：

式中：V烧-烧蚀速率;L1-耐火砖初始厚度;L2-耐火砖终末厚度;T-运行时间。

通过对比不同烧蚀速率下耐火砖的表面情况，可以看出烧蚀速率高的耐火砖表面具有更多的冲刷砖缝痕迹，这是在炉渣具有过高的流动性的情况下所产生的。就配煤指标而言，灰渣黏度较低，其流动性增强，会增加水煤浆气化炉耐火砖的烧蚀速率，减少设备使用寿命，增加维修更换成本。相反的，当煤灰具有较高的黏度时，其流动性也会相应的降低，而这是不利于灰渣以液态形式排除气化炉的，长此以往就会导致灰渣堆积，堵塞设备。根据国内外相关研究可知，德上古煤气化炉在实际操作温度下，将灰渣黏度控制在25～30Pa·S为佳。

在煤灰的组成中，对灰渣黏度影响最大的成分是Al2O3与SiO2。煤灰的流动性会随着Al2O3含量的增多而提升。同时，SiO2会使煤灰熔融特性降低，黏度升高。对此，可以在配煤中添加一定量的CaO，使之与SiO2结合形成低熔点的硅酸盐。

2.2 配煤对水煤浆气化炉激冷系统的影响

激冷系统是对燃烧室中水煤浆气化产生的合成气与炉渣进行水浴冷却的系统。激冷环顶部与水管线相连，同时与下降管上部连通，其具有破泡波纹与平衡孔，便于实现激冷水沿下降管螺旋流动，以保护管壁。

然而，部分工厂随着配煤方案的改变经常发生下降管变形的问题。这主要是灰渣熔点增高，流动性增强导致渣口冲刷破坏，渣口实际尺寸变大，高温炉渣流入激冷环室中的量增大，下降管中的激冷水无法实现对炉渣的完全冷却，导致部分炉渣与管壁相粘结，最终使下降管受高温发生变形。

想要改善此问题，一方面可以在配煤中加入一定量的Fe2O3，使其在炉中发生还原反应产生FeO，它与炉中的氧化硅等成分结合所形成的共熔物具有较低的熔点，在炉中更容易发生软化，从而有效减少对渣口的冲击磨损。另一方面可以就下降管壁做出改变，例如更换耐温材料更高的不锈钢材，或对原有管壁进行表面处理，增加其耐热性能。

2.3 配煤对水煤浆气化炉烧嘴运行的影响

水煤浆气化炉烧嘴是利用高压喷出氧气，将水煤浆雾化，并在高温高压的环境中进行不完全氧化，起到预混合的作用。部分企业在变更配煤方法后，出现了烧嘴头部皲裂，热应力裂缝，管道喷嘴磨损等现象。就配煤方案变更来说，这是由于水煤浆雾化程度不足，燃烧火焰过于靠近烧嘴导致的。

从烧嘴结构考虑，可以调整中喷与外喷内径，外氧环隙等参数，使氧气发散程度更高，与水煤浆混合效果更明显，将火焰黑区扩大，远离烧嘴。从配煤角度考虑，可以针对挥发分这一配煤参数进行相关调整。挥发分是煤变质程度的定量表示，配煤中挥发分越高，其变质程度越高，氧化时会形成更长的火焰。挥发分与煤的内在水分具有一定关系，当煤的挥发分在25%到45%时，内在水分含量最低。此外，值得注意的是，煤的变质程度过高会导致成浆性能的降低。

3 水煤浆气化工艺对配煤的基本要求

我们常用配煤指标来表示配煤性质的恰当性，常见的配煤指标包括了挥发分、粘结性、结焦性等等，这与煤中的灰分、硫磷含量等化学组成是息息相关的。为了保证水煤浆气化技术的高效稳定，在进行配煤时一般要遵循以下几个原则：

①煤的灰分含量不高于13%。灰分是指煤中的无用形式成分，在水煤浆气化炉中，为了保证煤渣能以液态形式顺利排出，就必须使温度高于灰熔点，这就导致了氧气消耗与煤耗的增加，也加速了烧火砖的烧蚀速率;②煤的内在含水量不高于8%。煤的内在含水量越高，水煤浆制成难度也越高，制成后的煤浆浓度也越低;③煤灰的黏度保持在25～40Pa·S。此点的原因上文已有提及，是为了在耐火砖表面形成灰渣保护层的同时又能保证灰渣具有一定的流动性;④煤的HGI指标大于50。HGI，即哈氏可磨性指数，这是一个无量纲的指标，专门用来体现煤破碎成粉的相对难以程度。其大小与煤的硬度、强度、韧性、脆度等有關。HGI指数较大的煤，在破碎后产生的颗粒会更小，具有更高的堆积效率，因此，其在成浆后也会具有较高的浓度。

4 结语

在实际生产过程中，要针对具体的配煤方案进行水煤浆气化炉运行情况的分析。首先要进行煤质分析，判断其配煤指标是否满足气化用煤的要求与成浆性的要求，之后必须进行试产过程，分析配煤方案变更对设备运行带来的影响，是否满足安全要求与经济效益要求。此外，我国煤矿分布具有十分明显的地域性差异，各地要根据实际煤质选取合适的配煤方案以及煤预处理工艺。

参考文献：

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[4]袁凡.德士古水煤浆气化工艺的探讨[J].内蒙古煤炭经济，2019（20）：30+35.

作者简介：

苏卫芳（1988- ），女，籍贯：山西省天镇县，目前职称：助理工程师，研究方向：煤化工。