入炉煤质对航天炉运行影响的探讨

入炉煤质对航天炉运行影响的探讨

代华军

安徽晋煤中能化工股份有限公司  安徽临泉 236400

摘 要: 总结了干煤粉气流床气化工艺对煤质的具体要求，并介绍了航天炉粉煤加压气化工艺流程特点。结合安徽晋煤中能化工股份有限公司航天炉粉煤加压气化示范装置运行实际，系统地阐述了煤质参数变化对粉煤气化工艺的影响，并提出了应对措施。

关键词: 气化炉； 煤质；灰分；黏温特性；干煤粉气流床。

1、 工艺简述

航天炉示范装置由磨煤及干燥单元、粉煤加压及输送单元、气化及洗涤单元、渣水处理及回收单元和气化公用工程系统组成，工艺流程为经盘式磨煤机研磨筛选的合格粉煤进入袋式过滤器。在袋式过滤器风粉分离后的煤粉经螺旋输送机输送到常压粉煤储罐储存。粉煤加压及输送单元采用低温甲醇洗单元分离出的CO 2 气体为输送载气。煤粉锁斗通过周期性的低高压变化操作，将常压粉煤储罐的粉煤间歇性地送入到粉煤给料罐中。给料罐内的粉煤通过三条粉煤管线进入气化炉顶部的一体化烧嘴。在粉煤进入烧嘴的同时，O 2 和高压蒸气也被送入气化炉烧嘴处。三股物料在烧嘴射流作用下进入气化炉并充分混合和反应，生成以CO 和 H 2 为主要成分的粗合成气。气化炉作为核心设备是决定煤质适应性优劣的关键。航天炉为单嘴顶置式结构，采用水冷壁内衬以渣抗渣，构建了单喷嘴顶置式直流射流流场；该炉型能适应大部分煤种，原煤适应性强，，更能满足高灰熔点、高灰分劣质煤的高效气化需要。该流场由射流区、回流区和旋流区组成，具有中上部炉温略低、下部靠近渣口处炉温较高的温度场分布特性，有效促使渣口处熔渣顺畅排出，从而强化了其对高灰熔点、高灰分劣质煤的适应性，生成的熔渣和高温合成气从渣口流出经过下降管进入洗涤冷却室降温。淬冷后的熔渣沉积在激冷室底部成为粗渣，定期通过渣锁斗排入渣池，并被捞渣机捞出，运出气化界区。在激冷室完成初级洗涤后的粗合成气依次进入混合器和旋风分离器，进行二级洗涤分离以除去较大粒度的杂质; 然后再进入洗涤塔进行第三级洗涤除尘，以进一步除去较小粒度的细灰，从而达到灰质量浓度 ＜ 1.5 mg/m 3 的要求; 随后送出气化界区，进入后续的变换单元。气化炉、旋风分离器、洗涤塔排出的三股高温黑水送入高闪和低闪进行闪蒸、浓缩。其中，闪蒸汽进入汽提塔给高低压灰水进行除氧加热。浓缩后黑水进入沉降槽进一步沉降絮凝，再经板框压滤机压滤后以滤饼形式排出气化界区，滤液返回沉降槽循环使用。

2、 煤质变化对干煤粉气化工艺的影响

航天炉粉煤气化装置运行的稳定性与煤质的稳定性直接相关。下文就原煤煤质的变化对 航天炉示范装置粉煤气化工艺的影响进行阐述。

2． 1 水分

原煤中的水分高低对粉煤制备及输送的影响很大。煤中水分偏高，会显著增加磨煤单元能耗，过高则会因干燥能力不足而导致粉煤制备不合格，造成粉煤在储存输送过程中形成架桥堵塞、输送流量稳定性差等问题，给气化炉和烧嘴的安全运行带来危害。考虑到制粉系统的能耗，晋煤中能航天炉示范装置要求原煤中水分越低越好，原则上质量分数不超过 15%为宜。

2． 2 粒径

粒径的选择不仅与原料的气化活性有关，而且受气化工艺影响。对于大多数煤，航天炉示范装置粉煤气化工艺对粉煤的粒径没有严格要求，一般要求粒径小于 5 μm - 90 μm 的粉煤质量分数大于 60% 即可。通常情况下，当粒径偏细时，粉体颗粒间黏附性增强，易给粉煤高压输送带来困难，导致粉煤密相输送稳定性变差，不利于气化系统的安全稳定运行; 如果粒径偏粗的粉煤过多，则会明显降低碳转化率，滤饼残炭含量增加。因此，结合原料的气化活性和制粉能耗优化需要，选择粒径适宜的煤粉入炉是一个较长周期的装置优化运行过程。

2． 3 挥发分

挥发分高低与气化活性直接相关，是重要的煤质参数之一，航天炉要求挥发分在30-35%之间即可。航天炉内的温度通常1350 ℃ 以下。需要注意的是，煤中挥发分太高对煤的安全储存不利，高挥发分煤容易自燃，从而危及装置设备的安全运行。另外，挥发分高低对磨煤单元影响也较大，挥发分越高，用来维持磨煤系统惰性化气氛所需的 CO 2 量就越大，运行成本明显增加。

2． 4 灰分

水冷壁式粉煤气化技术的重要工艺特点之一就是以渣抗渣，即利用熔融灰渣在气化炉水冷壁上形成一层动态渣层，以保护气化炉水冷壁直接承受高温烧蚀及气流的冲刷磨蚀。如果原料煤的灰分过低，水冷壁上的渣层厚度偏小，则水冷壁以渣抗渣的效果难以发挥，存在水冷壁烧损风险。原料煤的灰分越大，渣层就厚，越能保护水冷壁向火面；同时，较厚的渣层还能有效减少热损，从而降低消耗。然而，过高的灰分会降低碳转化率，增加煤耗及氧耗，相关设备管线的寿命也会大大缩短。由于原料和工艺的差异，干煤粉气化所形成的细灰通常比水煤浆气化更难以洗涤分离。安徽晋煤航天炉示范装置实际运行表明，通过洗涤除灰系统关键设备和工艺方面的持续优化，灰分质量分数约为 15% 以上的原料煤也可实现长周期运行，但是灰水系统负担加重，药剂使用量会大幅增加。另外，低灰分( 质量分数约为5以下%) 原料煤（华煜隆煤）也成功应用于航天炉示范装置(偶尔炉温波动)，体现了航天炉均匀挂渣的优势，为确定航天炉示范粉煤气化技术的适用灰分边界条件提供了重要支撑。

2． 5 煤灰流动温度

煤灰流动温度主要取决于煤灰组成，大致可分为两类: 一类为酸性组分，主要是 SiO 2 、Al 2 O 3等，另一类为碱性组分，主要是 Fe 2 O 3 、CaO、MgO、K 2 O、Na 2 O 等。灰分中酸碱组分质量比( 酸碱比)越高，煤灰流动温度越高，反之亦然。通常情况下，气流床气化炉操作温度比原料煤灰流动温度高 100 左右 ℃。因此，兼顾气化反应和液态排渣所需的温度，优选的原料煤种煤灰流动温度一般在1250 ～1350 ℃。如果原料煤煤灰流动温度太低，气化炉低温操作会导致碳转化率偏低，细灰含量较高，不利于经济运行。因此，需要根据煤灰的黏温特性，在兼顾气化效率和水冷壁均匀挂渣的条件下，确定优化的操作炉温范围。对于高煤灰流动温度煤种，考虑到气化炉高温运行不仅加大了关键设备寿命降低的风险，更会显著增加氧耗、煤耗，经济性差，因此通常需添加助熔剂降低煤灰流动温度至合适范围。需要指出的是，对于干煤粉水冷壁气化炉而言，仅仅以煤灰流动温度为参数确定操作炉温过于粗放，操作风险极大，煤灰黏温特性才是确定操作炉温及其范围的可靠依据。

2． 6煤灰黏温特性

决定煤灰黏温特性的主要因素还是灰渣的组成，而且异常复杂。通常来说，SiO 2是影响灰渣黏度的主要因素，高 Si 含量的煤黏度就高; Al 2 O 3对灰渣黏度的影响不大; 在同一温度下，碱金属及碱土金属的含量越高，灰渣的黏度越低; 另外，硅铝比也是影响黏温特性的关键参数之一，炉内熔渣的黏度应能实现在气化炉水冷壁上的平滑致密挂渣。如果熔渣黏度过高，水冷壁表面液态渣层厚度过厚、流速偏慢，易导致大量炉渣累积并在渣口处形成大渣块，影响顺畅排渣及堵塞渣口的风险，并可能由于炉温波动导致垮渣，不利于长期稳定操作。如果炉内熔渣黏度过低，壁面渣层厚度减薄，热损随之增加，相应的氧耗、煤耗也会增大，同时带来降低水冷壁寿命的风险。为实现水冷壁以渣抗渣的良好效果，航天炉要求熔融灰渣黏度在 50 ～100Pa·s，并结合黏温曲线的临界黏度温度，最终确定优化的炉温操作范围。在大量黏温特性测试和配煤研究的基础上安徽晋煤航天炉已成功运行了华亭煤、嘉园煤、曹家滩煤、柠条塔煤、红柳林煤、大砭窑等高灰熔点、高灰分煤，气化炉操作温度主要控制在 1250 ～1350 ℃，既实现了劣质原料的高效气化，又兼顾了运行经济效益。

2． 7 气化反应活性

对于气流床气化工艺，由于反应物料在气化炉内平均停留时间较短（一般3-5秒），故通常要求原料煤应具有良好的气化反应活性，从而获得较高的碳转化率。但对于运行炉温可高达 1250～ 1350 ℃ 的航天炉(华亭煤、嘉园煤、曹家滩煤、柠条塔煤、红柳林煤、大砭窑煤为主要原料) 而言，不同煤种的气化反应活性差异已经不再是影响气化反应速率的控制步骤。在良好的混合效果下，氧煤比、水氧比等操作参数成为优化气化效率的关键。

3 稳定煤质的建议措施

( 1) 通过优化配煤来稳定煤质。

配煤过程需由配煤控制系统来实现，建立配煤试烧数据库，并在不断实践的基础上逐步优化，确保几种原煤经配煤后的混煤煤质保持相对稳定。在航天科技集团热工部和安徽理工大学化工学院的支持下，安徽晋煤已联合质环处中心化验室等相关单位，将大量煤质分析数据与航天炉示范装置煤种试烧运行数据相结合，建立 航天炉粉煤气化配煤试烧数据库，为不同配煤工况下入炉原料的炉温操作范围提供了数据支撑，对工艺管理人员自主灵活地进行原料优化与经济运行有很大的指导和帮助。

( 2) 强化煤质分析检验工作。

煤质分析检验工作包括: ① 确定煤质分析频次; ② 及时准确采集煤样; ③ 快速检测分析煤质; ④ 及时发布分析数据。为确保能获得及时、有效、准确的气化炉入炉煤种煤质分析数据，建议粉煤气化装置配备一套煤质在线分析仪。

( 3) 把好原煤的运输及筛选关。

气化原煤在入炉前要经历运输及筛选两个过程。在运输过程中，应避免气化原煤被雨水及其他介质污染，造成原煤中水分升高; 在进入磨煤系统前，还要进行筛选，将气化原煤中的矸石、铁块及纤维类杂质除去，从而可以确保粉煤能顺利转移及正常气化。

( 4) 加强原煤采购源头管理。

为确保原煤煤质相对稳定，必须提供详细出矿原煤煤质分析数据，并将该批数据与煤质数据库中以往数据进行横向对比，以判断原煤煤质是否发生变化; 做好前期煤质调研工作，横向对比多家煤矿的煤质，追踪每个煤矿一段时期内煤质的变化情况，以选择一个煤质相对稳定的煤种作为气化原煤。

( 5) 强化原煤现场库存管理。

原煤入厂后，需强化原煤的现场库存管理; 原煤库存时最好不要露天堆放，以避免雨水天气导致原煤中水分大幅升高; 原煤堆场要远离矸石及其他原煤堆场，以防止矸石及其他原煤对其中的煤种造成二次污染。

4 结语

上述煤质参数中任何一个发生变化，都会对粉煤气化工艺造成一定的影响。稳定的煤质对粉煤气化工艺至关重要，是能否长周期连续稳定运行的关键所在，也是能否实现装置运行经济性的重中之重。但是，在装置实际运行过程中，煤质的波动是不可避免的，因此就要采取适当措施来稳定气化炉入炉煤种的煤质。稳定煤质的措施很多，只有坚决落实这些措施，才能稳定气化炉入炉煤种的煤质。

参考文献

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( 收稿日期 2019-10-30)