浅析煤质管理对水煤浆气化稳定运行的影响

2023-02-14曹真真马军志王洪营

氮肥与合成气 2023年1期

曹真真,马军志,孟雪,王洪营

(河南心连心化学工业集团股份有限公司，河南新乡 453700)

1 前言

在加压气流床气化工艺中，原料煤经过干法研磨或湿法研磨制成相应炉型的原料粉体或原料浆，通过输送进入高温高压气化炉，在纯氧的条件下，发生氧化还原反应，生成相应的合成气，供下游工段使用。不是所有的煤种都适合气化反应，原料煤在预处理前需要通过工业分析、灰熔融性分析、灰分组分分析、成浆性分析、黏温特性分析筛选，再按一定的配比制得合适的原料煤供生产使用。若对炉煤质不加控制，或者随意更改指标，则会出现炉况波动现象，甚至导致系统停车。通过提升优化煤质管理措施，可以稳定气化装置运行，降低煤耗成本。

2 煤质波动对气化操作的影响

水煤浆气化常用的煤种以神府地区煤矿、蒙煤为主，少量掺烧山西煤[1]，整体控制指标：灰分质量分数为5%～15%，全水质量分数为8%～22%，挥发分质量分数为20%～37%，硫质量分数≤1%，固定碳质量分数为55%～65%；煤灰熔点≤1 250 ℃，煤灰黏度为2.5～25 Pa·s，对应操作温度区间≥70 ℃;100 s-1剪切速率下，黏度小于1 000 mPa·s。在煤质开采、运输过程中，由于煤层变化、掺混比例不稳定、掺烧未找到最佳配比，导致气化炉入炉煤组分变化或不稳定，引起气化烧嘴压差波动、下降管堵塞、渣口压差波动、合成气组分下降或者波动大等问题。

2.1 气化炉烧嘴压差波动

行业内水煤浆气化炉分为顶喷式气化炉和四喷嘴气化炉2种形式。顶喷式气化炉的烧嘴压差波动会直接影响渣口压差波动；四喷嘴气化炉的烧嘴压差波动会导致烧嘴偏喷，从而加剧烧嘴烧蚀现象。实际生产中，四喷嘴气化炉烧嘴压差波动引起的表现如下：

(1) 烧嘴压差频繁波动时，烧嘴壁温也同样频繁波动，从趋势上看无规则比例关系。

(2) 烧嘴压差波动趋势会引起烧嘴冷却水回水温度的变化。当压差波动逐渐增大时，回水温度逐渐升高；当压差趋于稳定时，回水温度逐渐恢复正常，两者成反比。

(3) 烧嘴压差趋势与气化合成气中CH4、CO的含量也存在一定的关系。当压差出现波动时,CH4、CO含量也随之波动。压差波动引起烧嘴雾化不好，导致氧气流量波动进而影响气化炉内的温度场，引起合成气中CH4、CO含量变化。

(4) 通过对比烧嘴压差波动期间的入炉煤质数据，发现煤质中灰分质量分数偏高，且黏温特性波动较大。

2.2 渣口压差波动

渣口压差波动的直接原因是渣口不畅或堵塞，本质原因是气化炉操作温度与入炉煤灰熔融温度不匹配。常规气化炉温度的控制原则是，在保证液态排渣的情况下尽可能维持较低的温度。若入炉煤的灰熔点由低向高变化时，炉温调整不及时，炉温长时间低于所需的操作温度，流动性不好的熔渣在炉壁和燃烧室锥底积累。当熔渣累积到一定程度后，在重力和气体冲击力的双重影响下，熔渣沿着炉壁流向渣口，渣口压差变大。同时,气体在燃烧室停留时间分布发生变化，气体成分会随之改变。

2.3 下降管堵塞

作为激冷气化流程的核心部件。同时,被安装在激冷环的下方，对合成气起到均匀降温和水洗的作用。下降管常规的损伤表现为内部变形，而更严重的情况则是下降管堵塞。堵塞情况是因为入炉煤的黏温特性较差，熔渣在通过下降管时，由于温度下降，流动性变差，造成渣口处大量熔渣不能被及时排出，或者大量的熔渣堵塞下降管，导致合成气气体无法被正常排出。气化炉托砖板测温点温度猛然由250 ℃升高至500 ℃左右，气化炉锁斗不稳定排渣，所排渣出现大块或有较多玻璃丝的情况。

图1为正常煤种黏度曲线图。由图1可知:该煤种的煤灰黏度在5～25 Pa·s时，对应的操作温度为1 180～1 250 ℃，操作温度区间为70 ℃。在温度变化过程中，黏度曲线平缓。该类煤种气化炉炉温控制在1 270 ℃时，可以顺利完成液态排渣过程。

图1 正常煤种黏温数据曲线图

图2为异常煤种黏温特性曲线。由图2可知:该煤种的煤灰黏度在5～25 Pa·s时，对应的操作温度为1 365～1 385 ℃，操作温度区间为20 ℃。在温度变化过程中，曲线变化陡峭。该类煤种气化炉炉温需控制在1 450 ℃以上，方能完成液态排渣过程，且黏度随温度升高陡然上升。大量使用这类煤种，会给操作带来较大困难，容易出现堵渣和渣口压差波动现象。

图2 异常煤种黏温数据曲线图

3 常规煤质管理措施

3.1 常规煤质分析

对于煤化工企业来说，常规煤种的基础分析包括工业分析、元素分析、灰熔融性分析，以及发热量、可磨性指数测定等。

(1) 工业分析

工业分析中关键指标为灰分、全水、内水、挥发分、固定碳，通过该分析可以基本判断煤质的特性，是入炉煤分析的主要指标。

(2) 元素分析

元素分析一般在工艺包设计或气化煤种更换进行工艺包测算时进行，通过分析可以获得该煤种的硫含量、发热量数据。该分析对气化炉操作调节作用不大，故正常生产过程中，不经常分析。

(3) 灰分分析

矿物质是煤的重要组成部分，煤燃烧、气化时，矿物质转变成灰分[2]。研究学者指出，气化用煤的煤灰熔融温度、黏度等指标与煤灰的化学组成[3]有关。根据煤灰化学成分可对应得出煤灰熔融温度。有经验的单位可以根据灰渣的酸碱比、硅铝比推测出煤灰的熔融特性，为操作提供依据。

(4) 煤灰熔融特性分析

煤灰熔融温度[4]是气化用煤的重要指标，准确测定煤灰熔融温度对气化用煤有重要意义。由于煤灰是复杂的混合物，没有严格物理意义上的熔点，采用变形温度(DT)、软化温度(ST)、半球温度(HT)、流动温度(FT)来描述其熔融过程的变化。

通过对入炉煤进行分析后，初步判断是否符合标准，同时区别出不同矿区、不同煤种的特性。整理和提炼历史分析数据，有助于总结入炉煤质操作手段。

3.2 用煤管理平台的应用

区别于已知的配煤软件、Lims系统等功能单一的软件系统，智慧用煤管理平台可以将煤炭运输、储存调研、煤质检测等多种数据进行集中展示;同时，集配煤管理、试验煤质分析数据管理、煤源采购管理、库存管理等多项功能于一体。在整个智慧化用煤系统中，应用设计逻辑和算法最多的是配煤系统，该系统需要结合入炉煤质建立煤炭预测模型，通过神经元网络算法、最小二乘法等回归分析方法，找出灰分和灰渣熔融性的关系，预测配煤后煤质情况。配煤逻辑算法结构见图3。

图3 配煤逻辑算法结构图

3.3 煤炭采购存储管理

对所有煤化工企业来说,煤炭采购是关键环节，保证质优、供应稳定的碳源是基本要求。但受天气、政策等因素导致煤源紧张、库存不足等限制，企业为了连续生产，不得不采用临时煤种进行试烧。因为调研和试烧论证不足，临时替换煤种存在较大风险。同时,由于煤源紧张，还伴随煤质评价、掺烧比例等过程管控能力的下滑，建议日常做好配煤方案研究和备选矿源储备，做好相应的应急预案。企业要提高更换方案制定、煤种分析评价、掺烧混配监督、气化装置预警通报等环节的重视程度。