烟煤在壳牌气化炉应用中的适应性探索

尹招进

(云南天安化工有限公司， 云南安宁 650309)

某煤气化装置采用壳牌粉煤气化技术，于2008年5月投产，2008年—2013年主要使用无烟煤(贵州煤与富源煤)。该煤种热值低(25.21 MJ/kg左右)、灰分质量分数高(25.08%左右)，导致气化炉十字架积灰频繁[1-2]。为降低煤中灰分含量，2013年6月在原料煤中掺烧石油焦。石油焦的硫质量分数高达6%～8%，掺烧后合成气中硫化氢质量分数为7 000×10-6～9 000×10-6，高硫含量对设备的腐蚀影响较大。随着设备逐年老化，磨煤系统设备磨损、输煤单元泄压管磨蚀减薄、气化炉水冷壁管腐蚀泄漏、渣系统堵渣、合成气管线腐蚀、气化炉碳转化率低等相关问题日趋凸显，自2013年6月以来气化炉水冷壁管出现8次泄漏，且泄漏点数量逐年增加，影响煤气化装置的安全、稳定、长周期运行。

为进一步提升煤气化装置的运行周期，减少非计划停车次数，使装置“安、稳、长、满、优”运行，组织开展探索煤气化装置宽泛化用煤的技术攻关，研究使用高活性、高热值、低灰分含量、低硫含量的煤来代替石油焦配煤的可行性。

1 烟煤试烧

2019年2月27日，经过前期准备，气化炉具备掺烧烟煤的条件，并进行了烟煤的试烧，掺烧比例(质量分数，下同)从10%逐步提升至60%左右，使用了不同地区(青海、甘肃、陕西等)、不同热值(26～28 MJ/kg)，以及不同灰分含量的烟煤，与之相配的原料煤则采用高硫含量，以及不同热值(23.5 MJ/kg、24.5 MJ/kg)的煤。对不同烟煤与不同原料煤配比的混煤进行了试烧，烟煤掺烧比例为25%，并完成装置72 h性能测试。测试结果表明采用烟煤配煤后，该煤气化装置运行稳定。测试期间对烟煤在壳牌气化炉应用中的适用性进行了深入的探索，逐步找到了适应新煤种的操作控制方式及经济性配煤方式[3-4]。

2 安全保障措施

烟煤的挥发分含量高，存在闷燃、自燃的风险，因此，在装置72 h性能测试前必须做好安全保障措施，具体为：

(1) 确保原料堆放场地安全消防设施完好，正常投运；加强对堆放场地的监管，发现煤堆温度升高、冒烟时采取相应措施。

(2) 倒通至碎煤仓的低压氮气盲板，使碎煤仓适当补入氮气。

(3) 磨煤系统运行过程中严格控制氧体积分数小于8%，一氧化碳体积分数小于5 000×10-6。

(4) 磨煤系统停运后，保持反吹运行，适当补入氮气，监控一氧化碳含量及温度变化，每班对停运磨煤线放空口检测2次一氧化碳含量并做好记录。

(5) 若磨煤系统需要停运检修，在循环风机停运后应保持布袋过滤器反吹运行至少1 d。

(6) 监控粉煤贮仓(V1201)、高压粉煤给料罐(V1205)的温度变化，保持各设备氮气畅通，布袋除尘器(S1201)反吹正常。

(7) 现场配临时事故氮气接头，在煤气化装置突然停车时，煤粉输送单元应保持惰性环境事故用氮。

3 掺烧烟煤前后工况参数对比

掺烧烟煤前后实际配煤及实际入炉煤的煤质分析见表1。

表1 实际配煤的煤质分析

由表1可以看出：烟煤配煤后，入炉煤的热值下降。

煤粉粒度变化情况见表2。

表2 煤粉粒度分析

掺烧烟煤前后，工艺参数变化见表3。由表3可以看出：掺烧烟煤后气化炉的投煤量增加，有效气量上涨，氨产量上涨，激冷器(SGC)出口温度上涨，合成气中硫化氢含量下降。

表3 工艺参数变化

不同的烟煤掺烧比例下，入炉煤含硫质量分数与合成气中硫化氢质量分数的变化见表4。

表4 入炉煤硫含量与合成气中硫化氢含量变化

渣、滤饼、灰中的碳含量变化见表5。由表5可以看出：灰中碳含量有下降趋势，滤饼中碳含量下降明显。

表5 渣、滤饼、灰中的碳含量变化

灰、渣、滤饼质量变化见表6。由表6可以看出：煤泥量滤饼有下降，渣量增加。

表6 灰、渣、滤饼质量流量

4 掺烧效果

4.1 碳转化率提升

由掺烧烟煤72 h性能测试(烟煤掺烧比例为25%，气化炉负荷为19.4 kg/s)考核测算得出碳转化率为96.18%，与2018年掺烧石油焦性能测试(石油焦掺烧比例为15%，气化炉负荷为19.6 kg/s)对比，在氧质量流量低(0.2 kg/s)的情况下，碳转化率提高了2.18百分点。从全年分析来看，气化炉碳转化率达98%左右。

4.2 生产运行数据提升

相比于石油焦，烟煤的热值低、灰分含量高；相比于石油焦配煤，烟煤配煤后的热值低1.11 MJ/kg，灰分质量分数高3百分点，灰熔点低41 K。

相比于石油焦配煤，入炉的烟煤配煤热值低0.6 MJ/kg，灰分含量无变化，灰熔点低2 K。

烟煤挥发分含量高，活性高，在同等负荷下， 每天多投81 t烟煤配煤，有效气体积流量上涨5.2 km3/h，每天多产81 t液氨。

烟煤硫含量低，在同等负荷下掺烧烟煤后合成气中硫化氢质量分数下降2 787×10-6，大大降低了对设备的腐蚀性。

相比于石油焦配煤，采用烟煤配煤后，碳转化率提升，日产滤饼质量下降33.89 t，因投煤量增加，日产渣量多29.55 t，灰量无太大变化。

相比于石油焦配煤，掺烧烟煤后渣、灰中碳含量变化不大，滤饼中碳含量下降9.83百分点。

4.3 工艺参数优化措施

4.3.1 降低蒸汽质量流量

由于烟煤灰分含量低、挥发分含量高、反应活性好，因此将蒸汽质量流量从4.4～4.6 kg/s降至4.2～4.4 kg/s控制，炉温降低之后，渣系统堵渣等情况得到了有效的控制和缓解。

4.3.2 降低石灰石添加比例

由于烟煤中氧化钙含量高，灰融点低，因此将石灰石添加质量分数由(1.4±0.2)%调整至(0.4±0.2)%控制，大大节约了石灰石的用量。

5 烟煤试烧经验总结

2019年3月—2021年7月，在使用烟煤期间，使用了不同地区(青海、甘肃、陕西等)、不同热值(26～28 MJ/kg)及不同灰分含量的烟煤，与之相混配的原料煤则采用高硫含量，以及不同热值(23.5 MJ/kg、24.5 MJ/kg)的煤，并对不同烟煤与不同原料煤配比的经济性及操作性进行了全面的分析与研究，找出相对应的混配比例及操作参数。部分试烧的烟煤分析数据见表7。

表7 试烧烟煤统计

通过对煤的深入研究后，实现了以几点突破：

(1) 打破了之前对原料煤只使用富源煤、贵州煤的限制，并将富源煤与贵州煤进行了混配，对原铁、硫含量较高的煤种进行了有效的使用，极大拓展了原料煤的采购和使用空间；选煤时不再限定区域，通过对来煤的精细化研究，在后期的混配中可以达到最终的入炉煤要求。

(2) 烟煤的引入有效降低了入炉煤的灰分含量，实现了入炉煤配煤的较大操作空间；烟煤的使用打破了对高铁煤、高硫煤、高钙煤的使用认知，含铁质量分数最高时达27.79%，含钙质量分数最高达35.91%，有效解决了原气化炉渣口挂渣、气化炉堵渣的问题，通过不断地实践，有效拓宽了煤的使用范围。

(3) 通过对煤质的提前管控，建立了前方货场、到站分析、上煤皮带煤分析及入炉煤质分析等日常煤质管理模式，建立煤种大数据库，在对气化炉十字架积灰、气化炉磨损、吨氨成本、运行可靠性方面进行了充分的论证和实践，通过对气化炉掺烧煤种的可行性和经济性进行分析，达到最优的用煤效果。

(4) 面对较为复杂的煤种变化和煤质特性，针对壳牌粉煤气化的特性，总结出对应不同煤种的操作控制方法，通过对氧煤比、石灰石添加量、水氧比、炉温、多元素特性等进行研究，找到了多煤种在壳牌粉煤气化中的最佳生产方式和操作方法。

烟煤掺烧仍存在以下问题并需要注意以下事项：

(1) 由于烟煤熔点低、灰熔点低，所以气化炉十字架温度控制得相对较低，这对激冷气压缩机能力提出了更高的要求。

(2) 部分产区烟煤燃烧后的滤饼黏结性较强，对滤饼过滤存在一定的压力。

(3) 烟煤的灰分含量较低，在配煤过程中需控制入炉煤灰分质量分数在16%左右。

(4) 烟煤的挥发分含量较高，在煤的堆存及粉煤的贮存过程中需要做好煤自燃风险的控制。

6 结语

通过对烟煤特性进行深入的理论分析，对不同烟煤的灰成分、灰熔点等进行总结，从理论上找到烟煤在壳牌气化炉应用的可行性，并在此基础上进行了生产实践和性能测试。对气化炉十字架积灰、气化炉磨损、吨氨成本、运行可靠性方面进行了充分的论证和实践，分析了气化炉掺烧烟煤的可行性和经济性。结果表明：掺烧烟煤具有经济性，对煤气化装置运行具有稳定性，有利于装置的长周期运行。特别是烟煤中硫含量低，有利于减缓对设备的硫腐蚀；同时，烟煤活性好，反应完全，所得氨产量显著上升。

通过2019年3月—2022年1月运行，气化炉使用了不同地区(青海、甘肃、陕西等)、不同热值(26～28 MJ/kg)，以及不同灰分含量的烟煤，突破了原用煤种的局限性，开拓性地进行了高铁含量、高钙含量、高硫含量等恶劣煤种的使用，对烟煤在壳牌气化炉应用中的适用性进行了深入的探索，逐步找到了适应新煤种的操作控制方式及经济性配煤方式。气化炉负荷从19.4 kg/s降至18.6 kg/s，大大降低了气化炉水冷壁的磨损，硫含量大幅下降，降低了整体设备的腐蚀，装置稳运行时间超过1 a，创造了稳定运行249 d的最长运行记录。从经济性来看，如果全年掺烧烟煤，对煤气化装置节能降耗、吨氨成本的控制有较大的贡献。