水煤浆加压气化炉原料煤掺配试用总结

王明兰,满孝辉,于伟然

(联泓(山东)化学有限公司, 山东滕州 277527)

1 概况

联泓(山东)化学有限公司(简称联泓化学)煤气化项目采用国内拥有自主知识产权的煤化工技术——对置式水煤浆加压气化技术,实现多联产、节能减排和清洁生产,具备90万t/a甲醇的生产能力。

原料煤作为煤制甲醇的核心气化原料,近年来价格持续高位。为保证气化炉安全稳定运行,提高原料煤使用性价比,联泓化学寻求新煤源进行试烧。2022年掺烧煤种及其占比见表1。

表1 2022年掺烧煤种及其占比

由表1可以看出:2022年全年原料煤共计到货1 315 856.40 t。公司全年共掺烧15种原料煤,其中主力煤种由2021年单一的黄陶勒盖煤改为榆阳煤(占总使用量的28.44%)、金鸡滩煤(占总使用量的25.75%),锦丘煤作为固定配煤占总使用量的14.41%,其余为配煤煤种。

2 掺配煤种主要指标

2.1 榆阳煤

榆阳煤灰分质量分数一般为7%～9%,发热量一般为24 900～25 950 J/g,灰熔点为1 100～1 165 ℃。2022年入厂榆阳煤分析数据见表2。

表2 2022年入厂榆阳煤分析数据

2.2 金鸡滩煤

金鸡滩煤灰分质量分数一般为5.5%～8.9%,发热量一般为25 320～26 580 J/g,灰熔点为1 110～1 220 ℃。2022年入厂金鸡滩煤分析数据见表3。

表3 2022年入厂金鸡滩煤分析数据

2.3 锦丘煤

锦丘煤灰分质量分数一般为5.5%～9.0%,发热量一般为26 780～28 460 J/g,灰熔点为1 230～1 300 ℃。2022年入厂锦丘煤分析数据见表4。

表4 2022年入厂锦丘煤分析数据

其他掺烧煤种分析数据不再列表。总之,通过煤种煤质分析数据,制定合适的掺烧配比方案,才能保证生产的稳定运行。

3 配煤掺烧配比

2022年煤炭供应紧张,主力煤种不确定,配煤种类多,到场煤炭质量不稳定(灰熔点偏高、灰分含量偏高、颗粒不均匀等),同时到货数量不固定。为了稳定入炉煤质量,保证气化炉安全稳定运行,需要根据每个煤种的工业分析质量指标(重点是灰分含量、灰熔点)及数量、煤炭黏温特性制定煤炭掺烧方案,以确保混配后的入炉煤能够满足灰分质量分数≤8%、灰熔点<1 200 ℃、发热量≥25 000 J/g的要求。

全年试烧新煤种8种,更改配煤方案70次,平均每天使用5种以上原料煤,最多时达到9种原料煤同时掺配。2022年原料煤月度掺配消耗占比见表5。

表5 2022年原料煤月度掺配消耗占比

通过对煤种煤质的分析,合理调整掺配方案,全年煤炭配比掺混情况相对比较稳定,灰分含量呈上升趋势。煤灰分质量分数一般为7%～11%,发热量一般为25 115～26 370 J/g,灰熔点为1 110～1 180 ℃。2022年入炉煤分析数据见表6。

表6 2022年入炉煤分析数据

4 配煤掺烧的影响

多煤种掺烧带来的煤质变化及掺烧方案的多样性,对气化系统是巨大的挑战。通过观察现场排渣样,测量炉壁温,及时总结分析不同煤炭掺配方案执行效果,为工艺操作调整积累经验,保障生产稳定运行。

4.1 发热量对甲醇产量的影响

原料煤低位发热量降低后,会增加原料煤消耗量,导致氧耗、水耗、“三剂”消耗及渣量增加[1]。同时,原料煤低位发热量越低,产量越低。

通过对发热量和粗甲醇日产数据进行整理,满负荷下粗甲醇日产量(y)与煤发热量(x)约成线性关系:y=0.198 9x+1 871.5,即满负荷下发热量每降低200 J/g,粗甲醇日产减少9.9 t。

4.2 灰分含量对甲醇产量的影响

灰分是指煤中所有可燃物质完全反应后,其中的矿物质在高温下分解、化合所形成的惰性残渣,是金属氧化物、非金属氧化物和盐类的混合体。灰分虽然不直接参加气化反应,但是需要消耗煤在氧化反应中所产生的反应热用于灰分的升温、熔化及转化。灰分含量越高,煤的总发热量越低,甲醇产量就越低[2]。

相对于入炉煤灰分分析,煤浆灰分分析具有误差小、频率高、及时准确的优势,故本次分析以煤浆灰分为基准。表7为不同灰分区间的粗甲醇日产情况。由表7可以看出:粗甲醇日产量与灰分含量成反比。

表7 不同灰分区间的粗甲醇日产情况

4.3 配煤对气化系统水质的影响

为保证系统稳定运行,避免管道结垢或腐蚀,工艺设计要求系统水质pH控制在7～9。通过分析,当掺烧A煤时系统水质出现明显变化,pH持续降低,对管道设备有腐蚀趋势,该煤种不适合掺配使用。表8为不同配煤方案下pH对比,其中:方案1为(榆阳煤+金鸡滩煤)∶石拉乌素蒙块∶方家畔煤∶锦丘煤∶陕煤(质量比)=20∶6∶4∶7∶3;方案2为(榆阳煤+金鸡滩煤)∶方家畔煤∶锦丘煤∶杭来湾原料煤∶陕煤(质量比)=15∶7∶5∶10∶3;方案3为(榆阳煤+金鸡滩煤+银河矿末煤)∶方家畔煤∶陕煤∶锦丘煤∶A煤(质量比)=20∶5∶5∶7∶2;方案4为(榆阳煤+金鸡滩煤+银河矿末煤)∶方家畔煤∶锦丘煤∶(杭来湾原料煤+石拉乌素蒙块)∶西湾原料煤(质量比)=24∶5∶3∶5∶3。

表8 不同配煤下pH对比

4.4 灰熔点对运行的影响

多喷嘴对置式水煤浆气化炉采用气流床加压气化技术,液态排渣以避免渣口堵塞,顺畅排渣是气化炉正常运行的重要保证。煤灰熔融特性、黏温特性、临界黏度温度是四喷嘴气化炉渣口堵塞的主要影响因素。正常情况下,熔渣黏度控制在15～25 Pa·s,当操作温度低于临界黏度温度时,灰渣黏度变化较大,流动性变差,导致渣口堵塞,气化炉超温超压逼迫停车。

2022年11月15—21日试用B煤,配煤方案5为(榆阳煤+金鸡滩煤+银河精煤)∶锦丘煤∶(石拉乌素蒙块+杭来湾原料煤)∶B煤(质量比)=24∶7∶5∶4。表9为方案5中B煤的入厂分析结果。

表9 方案5中B煤的入厂分析结果

由表9可以看出:B煤组分变化较大,煤质不稳定。试烧过程种气化炉渣口堵塞严重,气化炉炉温剧烈波动,气体成分失调且波动较大,气化渣拉丝结块严重,严重威胁气化炉稳定运行。为解决渣口堵塞问题,维持气化炉稳定运行,在控制煤浆浓度稳定的前提下,通过优化氧量来提高炉温,A炉炉温最高提升至1 360 ℃,B炉炉温最高提升至1 407 ℃,均超过工艺设计温度(工艺设计最高操作温度小于1 350 ℃)。气化炉操作温度升高,不仅会加剧液态渣对耐火砖的冲刷性,降低其使用寿命,而且会增加氧耗和煤耗[3]。

根据气化炉运行情况和相关数据可知,B煤的灰熔点虽然不高,但是黏温特性(见图1)较差,操作温度高达1 351 ℃(高于设计值),不适合用做气化用煤。

图1 B煤黏温特性

4.5 灰分含量对运行的影响

灰分含量的增加不仅会增加比煤耗、比氧耗和单耗,还会增加粗煤气中的灰渣含量,加剧对炉砖的冲刷及炉砖的烧蚀。粗煤气在洗涤塔的洗涤效果降低,导致粗煤气带灰,影响变换催化剂的使用寿命。高灰分含量煤浆的黏温特性一般较差,炉温控制难度大,易导致烧嘴煤浆压差波动。长时间或者频繁的烧嘴压差波动会引起烧嘴端面雾化不均匀,导致烧嘴及烧嘴室炉砖烧蚀加剧,大大降低烧嘴及烧嘴室周围炉砖的使用寿命,严重时甚至会烧穿烧嘴。为保证正常排渣,将相应提高炉温;高灰分含量、高炉温的工况会导致炉砖烧蚀速率成倍增加。高灰分含量、高炉温冲刷下的耐火砖见图2。

图2 高灰分含量及高炉温冲刷下的耐火砖

煤灰分含量高易导致系统水质较差,促使系统出现结垢积灰;气化炉激冷室内部积灰,渣口压差高,威胁系统长周期运行。正常情况下仅破沫条上部少有积灰,当灰分质量分数较高(>9%)时,激冷室积灰严重。图3为不同灰分含量下激冷室积灰对比。

(a) 低灰分含量

灰分含量高,加剧了运转设备、管线、阀门的磨损程度。生产过程中,捞渣机刮板和链条经常出现故障导致气化炉减负荷运行抢修;澄清槽底流泵至真空过滤机管线经常磨穿;激冷水泵出口平衡管发生泄漏,需要倒泵隔离焊接[4]。

5 结语

通过对发热量和粗甲醇日产数据进行整理,满负荷下粗甲醇日产量与煤发热量约成线性关系,满负荷下热值每降低200 J/g,粗甲醇日产减少9.9 t。而粗甲醇日产量与灰分含量成反比。灰分含量的增加不仅会增加比煤耗、比氧耗和单耗,还会增加粗煤气中的灰渣含量,加剧对炉砖的冲刷及烧蚀。煤灰分含量高易导致系统水质变差,造成系统结垢积灰;气化炉激冷室内部积灰,渣口压差高,威胁系统长周期运行。原料煤灰分质量分数控制在7%～8%时,气化炉运行相对比较经济;灰分含量增加时,影响气化炉水质、炉砖、烧嘴等一系列问题。

通过对运行数据进行分析,当掺烧A煤时系统水质出现明显变化,pH持续降低,不适合用做气化用煤。B煤黏温特性差,操作温度高(高于设计值),不适合用做气化用煤。

通过梳理原料煤、甲醇产量、单耗、价格关系,建立多煤种智能掺配模型,可以在基础数据输入后自动呈现经济性数据。