煤化工生产中原料煤、燃料煤配煤优化研究

崔伟兵

(中煤鄂尔多斯能源化工有限公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017317)

我国拥有丰富的煤炭资源，以煤炭为主的能源结构在今后相当长的时期内不会有大的改变[1]，如何高效、经济地利用煤炭显得尤为重要。在煤化工产业中，需要热值较高的煤作为动力煤，也需要成分比较稳定的煤作为化工用煤[2]。目前行业内已开展了不同形式的配煤研究[3]。中煤鄂尔多斯能源化工有限公司的原料煤、燃料煤主要用于气化炉和锅炉，是合成氨系统的主要原材料和动力源，约占总生产成本的65%，因此吨氨耗原料煤和吨蒸汽耗燃料煤成为了合成氨生产成本的重要控制指标。BGL气化炉的显著优势是一定程度上实现了煤的分质利用[4]，在粗煤气产生的同时副产焦油、中油、石脑油、粗品酚和甲烷气。当煤质(低位发热量、固定碳含量、挥发分含量等)发生变化时对原料煤消耗量影响较大，直接影响到副产品及合成氨的产量[5]。

笔者对原料煤、燃料煤配煤进行优化研究，旨在利用现代化技术手段进行原料煤、燃料煤配比优化，结合企业周边煤炭的煤质特点，在原料煤、燃料煤消耗成本最佳的临界点提出具体的煤质配比。

1 原料煤、燃料煤使用情况

1.1 原料煤使用情况

1.1.1 原料煤煤质

煤质是研究消耗量的基础条件，中煤鄂尔多斯能源化工有限公司的原料煤主要来源于周边煤矿，因考虑原料煤消耗量为收到基数据，现将工业分析的空气干燥基数据转化为收到基数据，按照公式收到基=空气干燥基×(100-全水分)÷(100-内水分)进行转化计算。原料煤工业分析参数数据(收到基)见表1。

1.1.2 原料煤消耗情况

气化所用原料煤主要是来自周边煤矿的洗精煤，粒度为6～50 mm，经过筛分后，最终入气化炉的原料煤粒径为10～50 mm。目前合成氨系统原料煤消耗量约为5 265 t/d，待甲醇系统运行后原料煤消耗量约为1.1万t/d，经过近8个月的统计分析，得出原料煤消耗量与灰分、挥发分、固定碳、热值均存在一定关系，具体参数数据见表2。

表1 原料煤工业分析参数数据(收到基)

表2 原料煤(入气化炉)煤质参数数据

2.以上数据为加权平均数据

(1)原料煤消耗量与灰分含量的关系。灰分是煤中所有可燃物质完全燃烧及煤中矿物质在一定温度下经过一系列分解化合等复杂反应后剩下的残渣，是一种废品，不仅增加运输成本，同时也会增加碳损失和热量损失，最终导致原料煤消耗量增加。

(2)原料煤消耗量与挥发分含量的关系。由于中煤鄂尔多斯能源化工有限公司原料煤来源较为复杂，不同煤种混合后可能会成为一种新的煤种，在实际生产中原料煤消耗与挥发分含量的关系不是很明显，因此本次不再进行详细说明。

(3)挥发分含量与副产品产量的关系。中煤鄂尔多斯能源化工有限公司气化装置为碎煤加压熔渣气化技术，副产甲烷气、粗品酚、中温煤焦油、煤基沥青、粗苯等副产品，其中中温煤焦油和煤基沥青属于集中收集，因此本次仅研究液化甲烷、粗苯、粗品酚与原料煤挥发分的关系。当挥发分含量高时，液化甲烷(甲烷气液化制得)、粗苯、粗品酚产量增加；当挥发分含量低时，液化甲烷(甲烷气液化制得)、粗苯、粗品酚产量降低。

(4)原料煤消耗量与固定碳含量的关系。原料煤中固定碳含量与煤变质程度有一定关系，煤中干燥无灰基固定碳含量随煤化度的加深而逐渐增大。但是考虑到原料煤消耗量是实物量，因此固定碳采用收到基进行分析。从表2可以看出，原料煤消耗量与固定碳含量呈负相关关系，当固定碳含量增加时，合成气耗原料煤量降低；当固定碳含量减少时，合成气耗原料煤量增加。

(5)原料煤消耗量与低位发热量的关系。煤的低位发热量不仅影响原料煤实物量消耗，同时对能源消耗也起着重要作用。当原料煤的低位发热量升高时，合成气耗原料标准煤增加，不利于能源管控；当原料煤的低位发热量降低时，合成气耗原料标准煤降低，实际能源消耗量降低，有利于能源管控。原料煤消耗量与低位发热量的关系如图1所示。

图1 原料煤消耗量与低位发热量的关系

1.2 燃料煤使用情况

1.2.1 燃料煤煤质

锅炉使用燃料煤来源为两个部分：一部分为周边煤矿的燃料煤，一部分为原料煤的筛余。燃料煤主要煤质参数数据见表3。

表3 燃料煤煤质参数数据(收到基)

1.2.2 燃料煤消耗情况

目前入锅炉燃料煤消耗量约0.3～0.4万t/d，经过近8个月的统计分析，得出入锅炉燃料煤消耗与热值、灰分关系较大。具体参数数据见表4。

(1)燃料煤消耗量与水分含量的关系。燃料煤中的水分对燃料煤消耗不利，燃料煤在锅炉内燃烧时，需要消耗多余的热量来蒸发煤中的水分，从而增加了消耗。从表4可以看出，当入炉燃料煤中水分增加，吨蒸汽耗燃料煤量也随之增加；当入炉燃料煤中水分降低，吨蒸汽耗燃料煤量也随之降低。

(2)燃料煤消耗量与灰分含量的关系。当煤中灰分高时，吨蒸汽耗燃料煤量相应增加；当煤中灰分低时，吨蒸汽耗燃料煤相应降低。

(3)燃料煤消耗量与低位发热量的关系。因锅炉的主要作用是依靠燃料煤的燃烧，间接接触锅炉水，加热产生9.8 MPa高压蒸汽，因此燃料煤低位发热量的高低，直接影响燃料煤消耗量。从表4可以看出，当燃料煤低位发热量增加时，吨蒸汽耗燃料煤量降低；当燃料煤低位发热量降低时，吨蒸汽耗燃料煤量增加。

表4 燃料煤(入锅炉)煤质参数数据

2 原料煤、燃料煤使用标准及配比技术要求

2.1 原料煤使用标准及配比技术要求

2.1.1 原料煤使用标准

结合原料煤煤质要求和生产运行实际，原料煤(入气化炉)使用标准见表5。

2.1.2 原料煤配比技术要求

(2)原料煤入厂时若粉率较高，将降低筛分效率，导致入炉煤的粉率增加，将会造成气化炉配套的煤气水系统管道磨蚀[8]严重，初焦油分离器运行困难，变换洗涤分离塔、过滤器运行周期相应降低等等。操作人员应时刻关注煤气水系统的运行情况，尤其是初焦油分离器搅拌器和煤气水喷射泵的运行情况。

(3)原料煤中硫含量高时，应时刻关注净化气、二氧化碳产品气等中的硫含量。避免发生环保问题和造成系统大幅度降负荷。

(4)原料煤粘结指数高时，操作人员应及时调整搅拌器[9]转速，以避免炉内结焦，造成偏流等现象，引起跳车。

(5)原料煤中灰分含量高，会减少下渣口的使用周期和气化炉的运行周期，同时增加灰渣的外运费用。

(6)定期对气化装置、煤气水分离装置等运行情况进行分析，以总结出最合理、经济的配煤方案。

表5 原料煤(入气化炉)使用标准

2.2 燃料煤使用标准及配比技术要求

2.2.1 燃料煤使用标准

结合原料煤煤质要求和生产运行实际，燃料煤(入锅炉)使用标准见表6。

还有些寓言类杂文，讲述虫鱼草木等等动植物的故事，人格化，寓批评、启蒙于其中，读后觉得趣味盎然，意义深远，掩卷思之，心情愉悦，又有思想收获。此为三乐。

2.2.2 燃料煤配比技术要求

(1)入炉煤挥发分较低时，要通过提高煤粉细度、煤粉浓度、一次风和二次风温度以及减小一次风速等措施保证锅炉着火安全。当入炉煤挥发分高、热值低时，着火点提前，燃烧迅速，要相应调整一次风和二次风配风情况，经常检查燃烧器附近区域，防止燃烧器烧损、水冷壁结焦和高温腐蚀。采用分磨分烧方式掺烧高挥发分煤种时，对应的二次风应比燃烧正常煤种时适当减少，二次风减少幅度根据试烧情况确定。

(2)保证锅炉运行工况安全，不得出现长期受热面超温、结焦、腐蚀、严重积灰等现象[10]。应定期进行结渣特性分析，观察结渣情况，及时调整燃烧和吹灰方式，防止出现结渣和高温腐蚀的发生，否则应及时调整掺烧比例[11]。

(3)对锅炉经济性的影响应定期进行分析，定期进行灰渣含碳量、用电量消耗分析，通过分析进行燃烧调整，提高燃烧经济性，从而指导和优化配煤掺烧工作。

(4)制粉系统尽可能不采用隔层运行方式，如必须隔层运行，应适当增加锅炉负荷，确保省煤器进口烟气温度不低于480℃。

(5)吹灰、炉膛清焦、磨煤机切换等对燃烧有影响的定期工作务必错开进行。

表6 燃料煤(入锅炉)使用标准

3 原料煤、燃料煤配比优化

3.1 原料煤配比优化

自2013年试开车以来，中煤鄂尔多斯能源化工有限公司不断积极探索原料煤煤质对气化的影响及各煤种煤灰组分对灰熔点的影响。

3.1.1 取消助熔剂添加

在原设计中，助熔剂粒径为6～13 mm，在气化炉稳定工况下，每42 t原料煤中需添加1.53 t助熔剂。生产过程中如何将助熔剂均匀地加入到原料煤中是一个难点，中煤鄂尔多斯能源化工有限公司通过分析不同原料煤煤灰组分，结合三相图和煤灰粘度，合理配比原料煤，从2014年停止添加助熔剂至今已有近7 a。在成功停用助熔剂期间，气化炉运行稳定，未因原料煤灰熔点高而出现无法正常排渣的现象。助熔剂的停用不仅减少了一个管理难点，同时也降低了生产成本。

目前原料煤的主要来源一部分为集团所属煤矿生产原料煤，低位发热量约为27.21 MJ/kg；另一部分为集团外部采购原料煤，低位发热量约25.12 MJ/kg。结合气化炉运行工况的稳定性、合成氨产量及历史的运行总结，集团所属煤矿生产原料煤与集团外部采购原料煤按照3∶1～4∶1进行配比。

3.1.2 合成气与固定碳消耗量

合成气产量主要受原料煤中固定碳含量影响，2020年8月至2021年3月，合成气耗原料煤固定碳含量见表7。

从表7可以看出，合成气耗固定碳基本稳定在270.45 kg标准煤/kNm3，说明气化炉的气化效率基本稳定，更进一步验证了研究原料煤配比对气化炉消耗有着重要意义。

表7 合成气耗原料煤固定碳含量

3.2 燃料煤(入锅炉)配比优化

中煤鄂尔多能源化工有限公司燃料煤一部分为原料煤筛下物，另一部分为采购的燃料煤。其中原料煤煤质较好，低位发热量较高、灰分较低；采购燃料煤煤质较原料煤煤质差，中煤鄂尔多斯能源化工有限公司根据原料煤筛下物煤质和燃料煤煤质情况，调整输送路线，合理配比入锅炉燃料煤煤质。在二期甲醇项目设计时，统一考虑新增了粉煤缓冲仓和燃料煤输送专线。

为了更加灵活、规范地配比原料煤筛下物和燃料煤，增设1座储存4 000 t粉煤缓冲仓。正常情况下原料煤经弛张筛后，分为筛上物(粒径>10 mm)和筛下物(粒径≤10 mm)，筛下物经带式输送机输送至粉煤缓冲仓储存，筛上物送至圆形料场原料煤区域储存；外购低热值燃料煤经输煤带式输送机后储存至圆形料场燃料煤储存区域，然后根据低热值燃料煤煤质和原料煤煤质进行配比。

燃料煤的配比优化大大降低了中煤鄂尔多能源化工有限公司的燃料煤采购成本，2021年1～3月，中煤鄂尔多斯能源化工有限公司掺烧低热值燃料煤(低位发热量≤ 20.93 MJ/kg)4.65万t。

3.3 挖炉废料回收利用

在每次气化炉检修时，需将气化炉内废料排除干净，为检修气化炉内耐火砖、搅拌器等创造条件。因气化炉内废料仍具有一定的发热量，经过近几年对气化炉操作的摸索和优化，成功将挖炉废料作为气化炉的入炉原料煤。单次挖炉大约可回收100 t原料煤，大约挖炉次数为20次/a，则可节约2 000 t/a原料煤，节约成本100万元/a(原料煤单价按500元/t计算)。

4 原料煤、燃料煤配比应用

原料煤、燃料煤配比不但能够降低中煤鄂尔多斯能源化工有限公司的生产成本，同时对公司的能耗“双控”工作也有着重要意义。公司将从入炉煤的最低标准、原料煤和燃料煤消耗、煤炭成本及综合能源消耗方面综合考虑煤炭的最优配比，并借助信息化手段将煤炭配比提高一个台阶。

4.1 入厂煤炭准入系统

煤炭质量是气化炉、锅炉稳定运行的关键，为进一步加强煤炭质量管理、杜绝“以次充好”现象的发生，解决目前煤炭管理存在漏洞的问题，中煤鄂尔多斯能源化工有限公司对标其他企业，新建煤炭准入系统(在建)，将质量把控关口前移，对入厂煤炭低位发热量、灰分、水分指标提前检测，实现全车全检，质量达标后准入，不合格退厂。准入的车辆按照质量管理办法要求，自动摇号生成后依次进入采样区和卸煤区。

4.2 配煤系统引入

不论是从成本管理还是能耗管控方面，配煤优化是一项切实可行的措施，信息化手段的介入将会使配煤手段得到有效应用。目前中煤鄂尔多斯能源化工有限公司正在对一期的生产管理系统进行优化升级，拟在此系统中加入配煤的相关内容。

5 结论

(1)中煤鄂尔多斯能源化工有限公司原料煤、燃料煤消耗约占主要成本的65%左右，原料煤消耗与灰分、挥发分、固定碳含量有着密切联系，燃料煤消耗与水分、低位发热量存在着密切联系，虽然已经找到了相关联系，但是因原料煤来源的复杂性和燃料煤来源特点，均需要利用配煤手段，在有限的条件下尽可能降低原料煤、燃料煤消耗。

(2)通过近几年的努力，虽然取得了一定的成果，但仍需利用先进的信息化手段进一步对原料煤、燃料煤配比进行研究，下一步准备通过引入煤炭准入系统，有效保证煤炭质量，合理优化原料煤、燃料煤配比，降低生产成本，完成能耗控制指标，同时为成本分析提供有效数据支撑。