梁青秀， 胡宇鋒

(1. 華測檢測認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司， 山東滕州 277527；2. 浙江石油化工有限公司， 浙江舟山 316000)

聯(lián)泓(山東)化學(xué)有限公司項(xiàng)目以煤為原料、潔凈煤技術(shù)為核心，采用國內(nèi)獲得專利的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的煤化工技術(shù)，核心裝置采用四噴嘴對置式水煤漿加壓氣化爐。氣化裝置的主要任務(wù)是將來自煤運(yùn)工序的碎煤(粒度≤10 mm)，經(jīng)過煤漿制備工序，制備成合格的水煤漿(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥58%)；水煤漿經(jīng)高壓煤漿泵加壓至7.88 MPa，與來自空分工段的氧氣(純度≥99.6%、壓力為8.4 MPa)通過水平均布對置的2對燒嘴進(jìn)入壓力為6.5 MPa、溫度為1 350 ℃的氣化爐進(jìn)行反應(yīng)，生成合成氣(CO+H2)(體積分?jǐn)?shù)≥80%)，合成氣再送至洗滌系統(tǒng)。原料煤的使用和各項(xiàng)指標(biāo)的控制是實(shí)現(xiàn)安穩(wěn)長滿優(yōu)生產(chǎn)的關(guān)鍵，所以煤炭的選型和配比摻燒對氣化爐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要的影響。

聯(lián)泓(山東)化學(xué)有限公司使用的煤炭以蒙煤、山西煤、本地高硫精煤為主。蒙煤主要為黃陶勒蓋原料煤，單煤試燒可以實(shí)現(xiàn)氣化爐的運(yùn)行穩(wěn)定和安全，但是產(chǎn)氣量不高，甲醇產(chǎn)量相應(yīng)較低；摻配本地高硫精煤后，產(chǎn)氣量較高，甲醇產(chǎn)量也較高。因此，聯(lián)泓(山東)化學(xué)有限公司根據(jù)煤炭指標(biāo)的情況進(jìn)行不同比例的煤炭摻燒。在選型前，需要采取各地有代表性的煤炭進(jìn)行工業(yè)分析，并定期進(jìn)行質(zhì)量跟蹤，如果煤種有較大變化或煤層有變化時(shí)都視為新煤種，重新進(jìn)行試燒前的各種分析及小試。煤炭選型的指標(biāo)有：基礎(chǔ)指標(biāo)全分析(含全水質(zhì)量分?jǐn)?shù)、工業(yè)分析、全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)、發(fā)熱量、灰熔點(diǎn))、元素分析、灰組分、黏溫特性、成漿性試驗(yàn)、哈氏可磨性指數(shù)(HGI)等。

取樣是煤炭選型過程中最重要的環(huán)節(jié)，樣品的代表性占選型的關(guān)鍵因素的70%，如果取樣和配煤不具有代表性將會(huì)使后面的選型工作毫無意義。煤炭采樣應(yīng)嚴(yán)格按國標(biāo)執(zhí)行，執(zhí)行國標(biāo)為：GB 475—2008 《商品煤樣人工采取方法》。分析數(shù)據(jù)和各基態(tài)符號(hào)、結(jié)果表述等嚴(yán)格執(zhí)行GB/T 483—2007 《煤炭分析試驗(yàn)方法一般規(guī)定》中的要求。

1 基礎(chǔ)全分析

基礎(chǔ)全分析指標(biāo)是確定用煤量和各配煤指標(biāo)的關(guān)鍵，氣化入爐廠控指標(biāo)要求為：w(Aad)≤8.00%，w(Mt)≤13.0%，灰熔點(diǎn)(FT)≤1 230 ℃。配煤必須要參考基礎(chǔ)指標(biāo)要求進(jìn)行比例設(shè)定。其中，煤炭的工業(yè)分析包含：分析水、灰分和揮發(fā)分，從而計(jì)算出固定碳的數(shù)據(jù)。煤的固定碳與揮發(fā)分一樣，也是表征煤的變質(zhì)程度的一個(gè)指標(biāo)，隨變質(zhì)程度的增高而增高。固定碳也是煤的發(fā)熱量的重要來源，所以有地方以固定碳作為煤發(fā)熱量計(jì)算的主要參數(shù)，固定碳也是合成甲醇工藝用煤的一個(gè)重要指標(biāo)。

煤炭主要包含固定碳、灰分、揮發(fā)分及水，固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式為：

w(FCad)=100-w(Mad)-w(Aad)-w(Vad)

(1)

根據(jù)以上指標(biāo)及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，每一批次進(jìn)廠原料煤炭都要進(jìn)行基礎(chǔ)全分析，每一個(gè)新煤種的開發(fā)及質(zhì)量跟蹤也都要進(jìn)行基礎(chǔ)全分析，基礎(chǔ)全分析指標(biāo)共8項(xiàng)，各指標(biāo)煤炭符號(hào)及結(jié)果見表1。

表1 煤炭基礎(chǔ)全分析

2 元素分析

煤的元素組成是研究煤的變質(zhì)程度、計(jì)算煤的發(fā)熱量、估算煤的干餾產(chǎn)物的重要指標(biāo)，也是工業(yè)中以煤作燃料時(shí)進(jìn)行熱量計(jì)算的基礎(chǔ)。煤中有機(jī)質(zhì)主要由碳、氫、氧、氮、硫等元素組成。隨著環(huán)保指標(biāo)要求的提高，目前對氟元素和氯元素同樣有嚴(yán)格要求，所以對這兩項(xiàng)的嚴(yán)格控制也有利于外排水指標(biāo)的控制，方便對外排水的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行追根溯源。氟元素一般是根據(jù)外排水中的氟化物指標(biāo)要求和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來判斷，一般煤炭中的氟化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求不高于0.010%，或者不高于常用煤種中氟元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。氯元素是根據(jù)灰水中氯離子要求指標(biāo)進(jìn)行控制并監(jiān)測，如果某一元素含量過高，就考慮進(jìn)行幾種煤炭配比后進(jìn)行摻燒。各元素涉及的控制指標(biāo)詳見外排水和灰水指標(biāo)要求(見表2)。

表2 排水控制指標(biāo)

煤炭中最多的元素是碳元素，其次是氧元素和氫元素，煤中除無機(jī)礦物質(zhì)和水分以外，其余都是有機(jī)質(zhì)。由于組成煤的基本結(jié)構(gòu)單元是以碳為骨架的多聚芳香環(huán)系統(tǒng)，在芳香環(huán)周圍有碳、氫、氧，以及少量的氮、硫等原子組成的側(cè)鏈和官能團(tuán)，如羧基(—COOH)、羥基(—OH)和甲氧基(—OCH3)。原料煤對硫的指標(biāo)稍微寬一些。水煤氣產(chǎn)出的硫化氫經(jīng)過低溫甲醇洗系統(tǒng)的硫化氫濃縮塔進(jìn)行濃縮后，經(jīng)甲醇洗滌塔進(jìn)行洗滌后形成酸性氣，送硫回收工段進(jìn)行三級克勞斯處理，產(chǎn)出硫黃。在對原料煤選型的過程中摻配部分高硫精煤可以提高產(chǎn)氣量和有效氣含量。煤炭元素分析指標(biāo)見表3。從表3可以看出：部分配燒的煤種干基含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)2.54%，對進(jìn)廠含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高的煤也能得到很好的處理。具體使用時(shí)還會(huì)對摻燒后的煤炭，按新煤種同樣的要求進(jìn)行幾個(gè)指標(biāo)的分析。

表3 煤炭元素分析指標(biāo)

3 灰組分和黏溫特性分析

3.1 灰分與煤灰的熔融性和流動(dòng)性的關(guān)系

煤在熱轉(zhuǎn)化過程中礦物質(zhì)轉(zhuǎn)變成灰分，煤炭灰分是目前進(jìn)廠原料煤炭質(zhì)量的一個(gè)重要核定指標(biāo)。煤灰成分、熔融特性及黏溫特性是氣化用煤的一項(xiàng)重要指標(biāo)。研究煤炭的灰成分可以通過各成分的數(shù)據(jù)變化，判斷灰熔融的狀態(tài)，一般鋁、鐵、硅元素含量較高的灰熔融流動(dòng)溫度比較高，鈣、鉀、鈉元素含量反而會(huì)通過元素間價(jià)鍵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)降低灰熔融流動(dòng)溫度，這些元素都不會(huì)單獨(dú)存在，還有可能因?yàn)榇嬖诘臓顟B(tài)不同，對灰熔融性結(jié)構(gòu)影響也不同[1-4]。同時(shí)，煤炭燃燒完被洗滌后形成的灰水，也是重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)項(xiàng)目?；曳钟捕容^大會(huì)加速沉降槽、洗滌塔及各管道的結(jié)垢情況，垢片容易堵塞管道造成停車。因此，灰成分分析也是煤炭選型的一個(gè)重要指標(biāo)。煤炭選型灰成分指標(biāo)見表4。由表4可以看出：不同地區(qū)、不同的煤種，灰成分結(jié)果相差比較大。因此，需要通過排放控制指標(biāo)及選型要求來完成不同比例的煤種的摻燒。

表4 煤炭選型灰成分指標(biāo)

3.2 黏溫特性的最佳選型區(qū)間

按排渣方式分類，煤的氣化煤炭燃燒工藝可分為固態(tài)排渣和液態(tài)排渣兩大類。液態(tài)排渣技術(shù)要求操作溫度高于煤灰流動(dòng)溫度，且對應(yīng)溫度范圍內(nèi)的黏度為2.5～25 Pa·s或15～50 Pa·s。氣化爐采用液態(tài)排渣技術(shù)，在實(shí)際操作過程中需要確定熔渣的出口溫度，此時(shí)煤灰黏度的特性曲線就能說明灰渣溶化時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，如果溫度低于流動(dòng)溫度或操作溫度區(qū)間無法達(dá)到黏度要求均會(huì)導(dǎo)致排渣不暢，反應(yīng)器無法正常運(yùn)行。研究煤灰成分對灰熔融性和黏度的影響是非常必要的，這對于特定的煤種能否滿足不同排渣方式的氣化、燃燒工藝及擴(kuò)大適用煤種范圍具有十分重要的意義。煤灰礦物質(zhì)組成和化學(xué)組成均與上述兩種性質(zhì)有著密切聯(lián)系。如神樹畔煤的排渣操作溫度為1 225～1 375 ℃，雖然操作區(qū)間夠大，但是操作溫度上限已超過氣化爐的最高使用溫度(1 350 ℃)，只能和低灰熔融性的蒙煤配合使用，但是低灰熔點(diǎn)不代表流動(dòng)性一定好，所以為了使節(jié)能減排做得更好，需要在選型的過程中進(jìn)行篩選。煤炭選型黏溫特性曲線見圖1。

圖1 煤炭選型黏溫特性曲線

4 煤炭成漿性試驗(yàn)

在氣化裝置用煤的過程中,煤漿的流動(dòng)性和穩(wěn)定性都至關(guān)重要，主要涉及濃度、黏度及穩(wěn)定性試驗(yàn)(析水率和落棒試驗(yàn))。

2020年10月氣化裝置反映煤漿流動(dòng)性差，化驗(yàn)室取回的煤漿黏度達(dá)1 000 mPa·s以上?，F(xiàn)場煤漿添加劑量不斷加大，但效果仍不理想，添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了0.8%左右。針對該情況，對所使用的煤種和添加劑進(jìn)行了成漿性試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)添加劑量和煤漿濃度有很大關(guān)系(見表5)。煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)在62.5%左右、添加劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.3%時(shí)，煤漿流動(dòng)性良好。煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)在63%左右時(shí)，流動(dòng)性尚可，但黏度較高。針對這個(gè)現(xiàn)象，對所有煤炭選型的過程中都增加了成漿性試驗(yàn)項(xiàng)目，對添加劑的配方也做了一定的研究。

表5 煤炭成漿性試驗(yàn)

級配比以試驗(yàn)前1個(gè)月的煤漿粒度分析數(shù)據(jù)的平均值為基準(zhǔn)。單煤種或者配比煤種后混勻磨成煤粉后的各級篩的通過物，參考生產(chǎn)實(shí)際值，選取不同質(zhì)量、不同粒度的煤粉質(zhì)量進(jìn)行混勻后的煤樣，混勻后的煤樣對分析水要進(jìn)行單獨(dú)分析后再進(jìn)行濃度、黏度等分析。通過落棒試驗(yàn)和析水率評定煤漿的穩(wěn)定性。析水率越高，說明煤漿穩(wěn)定性越差；玻璃棒能自由落棒到底，說明煤漿比較穩(wěn)定，硬沉淀越少越好。煤漿的流動(dòng)性則通過試驗(yàn)觀察和黏度綜合進(jìn)行評定。

由表5可以看出：神樹畔煤在上述級配比的粒度條件、較高濃度下，流動(dòng)性和穩(wěn)定性比較好。在同樣的成漿條件下，煤漿添加劑的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.5%～2.0%都會(huì)有較大變化，實(shí)驗(yàn)室分析發(fā)現(xiàn)，該煤種和之前煤種的成漿性差異較大，低濃度基數(shù)配比反而不佳，高濃度基數(shù)配比之下，成漿性、8 h穩(wěn)定性、72 h穩(wěn)定性都還可以,添加劑量隨著濃度的提高有所調(diào)整會(huì)更好。

5 HGI

HGI是一個(gè)無量綱的物理量，反映了不同煤樣破碎成粉的相對難易程度。HGI越大，說明在消耗一定能量的條件下，相同量規(guī)定粒度的煤樣磨制成粉的細(xì)度越細(xì)。

由于不同的煤漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)和黏度會(huì)受粒度影響，同樣棒磨條件下，HGI越高越好。對于四噴嘴氣化爐來說，HGI在55～65最佳，如果HGI低于55需要考慮摻配使用。HGI的合理控制能使棒磨機(jī)在同樣的磨棒負(fù)荷情況下，得到最優(yōu)的級配比，提高磨棒的使用壽命，避免斷棒現(xiàn)象發(fā)生，能有效提高煤漿濃度，提高產(chǎn)氣比，從而提高產(chǎn)量，獲得更高的效益。各煤種的HGI見表6。

表6 各煤種的HGI

6 結(jié)語

經(jīng)過煤炭指標(biāo)選型，即可確定煤炭摻燒的比例。不同的煤炭，其配比不同。目前運(yùn)行中煤種最佳使用質(zhì)量比有：1∶3(神樹畔煤∶黃陶煤)、1∶5(西灣煤∶黃陶煤)、1∶3∶6(杭來灣煤∶邱集煤∶黃陶煤)。

綜合成本分析選取最佳組合、最優(yōu)價(jià)格對煤炭進(jìn)行比例配煤。選型過程中對灰水的硬度和氯離子含量，外排水的各項(xiàng)控制指標(biāo)都進(jìn)行了綜合考量，實(shí)現(xiàn)多聯(lián)產(chǎn)、節(jié)能減排、清潔生產(chǎn)。裝置自建成投產(chǎn)以來，通過強(qiáng)化生產(chǎn)管理、優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行、實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新、挖掘裝置潛力等多措并舉，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行，長周期、單耗及產(chǎn)能均在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上有較大突破。