浅析煤浆质量对气化反应的影响

翟云峰

(中国石化金陵分公司，江苏 南京 210028)

GE水煤浆气化技术由1948年美国德士古公司首次提出，在中国也已经发展有30多年，目前水煤浆气化技术在国内已经发展的很成熟并且拥有自主研发能力。分公司GE水煤浆气化装置是以煤和氧气为原料，在操作压力4.0 MPa，操作温度1300 ℃的条件下发生物理化学反应生成工艺气，并采用激冷水流程冷却洗涤工艺气。

1 煤种的选取

气化反应使用煤有严格的要求，主要是以生成的水煤浆的质量来选取原煤，要求煤质灰含量低、稳定性好、内水含量低、灰熔点适中、粘温特性好等特点。

1.1 煤的水份

煤炭的总含水分包括外水和内水。外水又称为游离水，与煤的本身性质无关，是由于外界因素附着于煤的表面或者毛细管中。内水是煤的结合水，以吸附态或化合态形式存在于煤中，是影响成浆性能的关键因素，内水含量的多少主要表现在其内孔表面以及煤粒的亲水性能等方面[1]。

1.2 煤的灰分及粘温特性

灰分是指煤中不参加反应的部分，它不仅降低了煤中的碳含量，而且要消耗气化炉中煤和氧气参加反应生成的热量用于灰分的溶解，增加了比氧耗和比煤耗。对于气化反应来说，煤中灰分含量高不利于气化反应。在正常的气化生产中，会根据灰熔点制定合适的气化炉操作温度，一般高于灰渣熔融点 50 ℃左右。即保证灰渣熔融态，气化炉的液态排渣顺利进行，又不能温度太高，造成灰渣的熔融态的粘度下降，流速过快，对气化炉耐火砖冲蚀较严重，缩短气化炉耐火砖的寿命。

1.3 煤的稳定性

水煤浆的稳定性是指分散相在水中的悬浮能力。当水煤浆浓度较低时，煤粒之间的距离较大，相互之间的作用力较小，煤粒受到重力作用沉降速度较快；当水煤浆的浓度提高后，煤粒之间的距离变小，相互作用变大，煤粒在水中的悬浮能力增强，从而维持整个体系趋于稳定[2]，通常采用将煤浆倒入容器中静置24 h，计算出析水率，以此衡量煤浆的相对稳定性。

2 水煤浆的制备

分公司水煤浆制备采用的煤种是神优2#原料煤，该煤种灰分含量8.54%、内水含量5.97%、灰渣流动温度1152 ℃，煤种性质相对优质。通过一定比例的煤、水以及适量添加剂(主要成分为萘磺酸盐)混合后进入磨煤机中磨制成浓度高(58%～62%)、流动性好且稳定性较强的水煤浆，分公司水煤浆制备质量要求见表1。

表1 分公司水煤浆制备质量控制表Table 1 Quality control table for coal water slurry preparation of ccdct

煤不易被水润湿，水煤浆粒度要求小，易自发凝结，使煤水分离产生硬沉淀[3]。加入添加剂主要是增加煤粒表面的亲水性。磨煤制浆工艺通过调配一定比例的煤、水以及添加剂，使之混合成高浓度、低粘度、适合气化反应的浆体。分公司水煤浆制备的流程见图1。

图1 水煤浆制备流程图Fig.1 Flow chart of coal water slurry preparation

3 煤浆质量差对气化生产的影响

3.1 造成渣口堵塞

气化炉的正常操作温度在1300 ℃左右，为了便于液态排渣，煤的灰熔点应低于操作温度60 ℃左右。当煤质变化造成灰分变多、灰熔点变高，在气化炉负荷一定的情况下单位时间内通过渣口的灰渣量相应增大[4]并且灰渣不能够熔化成液态，就会导致气化炉排渣不畅，造成渣口堵塞，影响到气化正常生产，严重时甚至会造成气化炉停车。日常操作中判断渣口堵塞的方法如下：

(1)观察中控电脑上渣口压差参数，该数值若持续上升，则渣口可能发生堵塞；

(2)根据工艺气成分分析数据判断。渣口发生堵塞会造成工艺气在燃烧室停留时间变长，造成更多的CO2参与反应生成CO，如果分析数据中CO2占比明显减小，CO占比明显上升，说明渣口可能发生了堵塞；

(3)观察捞渣机里落渣的形状。渣口发生堵塞会使热量聚在燃烧室内，造成燃烧室温度升高，从而使渣熔化出现拉丝现象。

3.2 造成系统水质变差

煤中灰分会随着燃烧反应结束后随工艺气一起到激冷室中，大部分灰渣在激冷室中遇冷凝固排到锁斗中，还有部分灰渣随气化炉黑水排放到闪蒸系统里，最终汇集到灰水槽中。灰水槽里的灰水会通过高低压灰水泵再打入系统中循环使用，当灰水槽的水得不到及时的置换时，就会造成系统水质逐渐变差，水质差到一定程度，就会造成管线、设备等堵塞，例如分公司遇到的气化开车时激冷水流量只能开到215 m3/h(正常激冷水流量在280 m3/h左右)，气化炉稳定投运后激冷水一直维持低流量，严重影响到装置生产运行。

3.3 造成工艺气带水

煤质较差，灰分含量多不仅会造成系统水质变差，还会造成工艺气大量带水。由于系统水质很差，激冷室里的热量积聚较多，造成激冷室里的水大量气化，随工艺气一同进入洗涤塔内，严重时会造成气化炉和洗涤塔都带水现象。

3.3.1 工艺气带水的现象

由于气化生产高负荷、高温度的特性，工艺气带水是很正常的情形，正常生产系统也可以维持水平衡。当带水量很大并且持续带水时，气化炉液位会站不住，持续性的带水会造成洗涤塔补水阀LIC8301阀位一直往下关，洗涤塔底部排放流量变大。工艺气大量带水还会造成净化装置V6203罐液位升高，底部排放阀阀位开大。

3.3.2 工艺气带水的影响

(1)工艺气大量带水进入洗涤塔内，会造成洗涤塔液位偏高，洗涤塔高压灰水补水变少，灰水槽里的水用不掉，顶部较干净的灰水溢流进废浆池，较脏的灰水再进入气化炉，造成系统水质进一步恶化，形成恶性循环。

(2)另外，工艺气大量带水进入净化装置，会造成净化变换炉催化剂遇水变冷碎裂，大大减少催化剂使用寿命，并且会造成变换炉压差升高，造成系统压力波动。

3.4 损伤设备

图2 KV8204B阀门外部图(a)，KV8204阀门内部图(b)和锁斗充压图(c)Fig.2 External view of kv8204b valve(a)，Internal drawing of kv8204 valve(b) and pressure charging diagram of bucket lock(c)

原料煤质量差内含灰分多，导致气化工段设备故障率频发，设备使用寿命缩短[5]。燃烧反应产生大量灰渣带入系统中，随水一同在在系统中循环，并且每一次循环都会夹带更多的灰渣进入系统中，长时间的冲刷，会对管线、阀门等造成较大的损伤。另外，工艺气中夹带的少量H2S易溶于水形成酸对管线阀门造成腐蚀减薄，极大降低了它们的使用寿命，不仅会对生产带来潜在的风险，而且频繁的更换设备也会带来很多额外的经济损失。分公司2022年2月份B系列锁斗阀KV8204B阀门阀座因长期使用受磨损严重，阀门出现内漏现象，造成走锁斗程序时，锁斗压力始终充不上去，最后通过在线更换阀门消除故障，见图2。

正常生产时，锁斗压力都会充到3.9 MPa左右，由图2(c)可知，由于锁斗阀KV8204存在内漏，导致2月28日上午10点到下午1点间，锁斗一直处于反复充压充不上的状态，锁斗泄压排渣到充压收渣时间很短，长时间充不上压力从而触发锁斗跳停程序。随后停锁斗系统在线更换阀门，锁斗系统恢复正常。

4 提高煤浆质量对气化装置和生产带来的收益

4.1 提高气化系统水质

当煤质质量高，煤中灰分含量少，水煤浆燃烧产生的灰渣细灰成分就少，从而随系统水带走的灰分就少，再经过沉降槽絮凝沉降进一步去除系统水中的灰渣，实现从源头和循环过程两方面提高系统水的水质。2022年2月9日，分公司采用在原有神优2#煤的基础上掺烧神优1#煤的方案，掺烧神优1#煤是分公司原定计划掺烧，目的在于尝试使用新煤种，拓宽原料煤的范围。神优1#煤与神优2#煤质量比较表见表2。

表2 神优1#和神优2#煤种质量比对表Table 2 Comparison of Shenyou 1# and Shenyou 2#

表3 掺烧神优1#煤前后水质氨氮含量对比表Table 3 Comparison of ammonia nitrogen content in water before and after mixing Shenyou 1#coal

掺烧神优1#煤种之前，气化装置水质已经出现了问题，水中氨氮含量频繁超标。经分析，这段时间神优2#煤种煤质可能发生变化，从而造成水中氨氮值偏高。正好按照生产计划混掺1#煤种，并增加废水外排放量以及外来补清水量置换系统水质，降低闪蒸系统压力，增加黑水中酸性气体解析量，停用乏汽回收系统以降低系统水中氨氮含量，停收净化水，提高系统水质，掺烧1#煤前后系统水质质量见表3。

由表3可知，进行煤种混掺以及系统调整后，系统水中氨氮含量呈逐步降低的趋势，水质逐渐得到改善。

4.2 缓解结垢堵渣现象，实现长周期平稳运行

影响系统长周期平稳运行的因素有很多，装置中每一个模块出现问题都会对系统造成影响。生产中遇到的主要问题还是系统中存在堵塞现象，造成激冷水量不足、渣口或者下降管堵塞等。引起这些问题的主要原因是系统中灰分较多，而且气化装置污水外排至水处理能力有限，正常排放在50 m3/h，排放少时只有40 m3/h，这就造成大量的灰渣及金属离子不能随外排水排走，重新返回系统中，造成系统环境变差并形成恶性循环，灰渣久而久之越积越多，最终堵塞系统，造成系统排渣排水困难。提高煤质质量能够有效的解决这一问题，煤质质量提高后，系统中灰分含量就会降低，再通过增加系统外补清水量，增加外排污水量，进一步降低系统中的灰渣量，从而极大地减小堵塞情况的发生，保障装置实现长周期平稳运行。

5 结 论

煤作为气化反应主要原料之一，对气化生产起着决定性的作用。煤质变差会加快造成气化系统出现排渣排水不畅、水质变差导致传质传热效果不显著，造成工艺气大量带水现象并且对对阀门、管线等设备造成严重损伤等一系列问题，严重影响到装置的长周期稳定运行。因此在日常制备水煤浆的过程中，要对多方面的因素进行综合考虑，从而制备出工业化高性能的水煤浆。

另外，在生产中：(1)要确保絮凝剂、分散剂的供应量，每天要注意分散剂罐和絮凝剂罐的液位，如若液位不降或者下降较慢，要及时检查分散剂、絮凝剂泵及其管线，确保分散剂及絮凝剂供应正常。(2)适当加大气化炉黑水排放量，加快水循环，降低热负荷，并定期用外来清水置换系统水，提高系统水质，从而避免工艺气大量带水现象并缓解阀门、管线等设备的压力，实现装置长周期稳态运行。(3)加强气化炉运行状况、渣口压差、破渣机运行状况监控并及时分析工艺气和污水检测数据，若渣池出现大块煤渣、渣口压差上升、破渣机频繁跳停现象，适当提高炉温，检查煤质质量，适时更换煤种。(4)尝试其它煤种，拓宽分公司原料煤使用范围。同一类煤种在不同时间段其煤质质量也存在较大的差异，拓宽原料煤种类可以有效应对这一种情况的发生。