翟云峰

(中國石化金陵分公司，江蘇 南京 210028)

GE水煤漿氣化技術(shù)由1948年美國德士古公司首次提出，在中國也已經(jīng)發(fā)展有30多年，目前水煤漿氣化技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)發(fā)展的很成熟并且擁有自主研發(fā)能力。分公司GE水煤漿氣化裝置是以煤和氧氣為原料，在操作壓力4.0 MPa，操作溫度1300 ℃的條件下發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)生成工藝氣，并采用激冷水流程冷卻洗滌工藝氣。

1 煤種的選取

氣化反應(yīng)使用煤有嚴(yán)格的要求，主要是以生成的水煤漿的質(zhì)量來選取原煤，要求煤質(zhì)灰含量低、穩(wěn)定性好、內(nèi)水含量低、灰熔點適中、粘溫特性好等特點。

1.1 煤的水份

煤炭的總含水分包括外水和內(nèi)水。外水又稱為游離水，與煤的本身性質(zhì)無關(guān)，是由于外界因素附著于煤的表面或者毛細管中。內(nèi)水是煤的結(jié)合水，以吸附態(tài)或化合態(tài)形式存在于煤中，是影響成漿性能的關(guān)鍵因素，內(nèi)水含量的多少主要表現(xiàn)在其內(nèi)孔表面以及煤粒的親水性能等方面[1]。

1.2 煤的灰分及粘溫特性

灰分是指煤中不參加反應(yīng)的部分，它不僅降低了煤中的碳含量，而且要消耗氣化爐中煤和氧氣參加反應(yīng)生成的熱量用于灰分的溶解，增加了比氧耗和比煤耗。對于氣化反應(yīng)來說，煤中灰分含量高不利于氣化反應(yīng)。在正常的氣化生產(chǎn)中，會根據(jù)灰熔點制定合適的氣化爐操作溫度，一般高于灰渣熔融點 50 ℃左右。即保證灰渣熔融態(tài)，氣化爐的液態(tài)排渣順利進行，又不能溫度太高，造成灰渣的熔融態(tài)的粘度下降，流速過快，對氣化爐耐火磚沖蝕較嚴(yán)重，縮短氣化爐耐火磚的壽命。

1.3 煤的穩(wěn)定性

水煤漿的穩(wěn)定性是指分散相在水中的懸浮能力。當(dāng)水煤漿濃度較低時，煤粒之間的距離較大，相互之間的作用力較小，煤粒受到重力作用沉降速度較快；當(dāng)水煤漿的濃度提高后，煤粒之間的距離變小，相互作用變大，煤粒在水中的懸浮能力增強，從而維持整個體系趨于穩(wěn)定[2]，通常采用將煤漿倒入容器中靜置24 h，計算出析水率，以此衡量煤漿的相對穩(wěn)定性。

2 水煤漿的制備

分公司水煤漿制備采用的煤種是神優(yōu)2#原料煤，該煤種灰分含量8.54%、內(nèi)水含量5.97%、灰渣流動溫度1152 ℃，煤種性質(zhì)相對優(yōu)質(zhì)。通過一定比例的煤、水以及適量添加劑(主要成分為萘磺酸鹽)混合后進入磨煤機中磨制成濃度高(58%～62%)、流動性好且穩(wěn)定性較強的水煤漿，分公司水煤漿制備質(zhì)量要求見表1。

表1 分公司水煤漿制備質(zhì)量控制表Table 1 Quality control table for coal water slurry preparation of ccdct

煤不易被水潤濕，水煤漿粒度要求小，易自發(fā)凝結(jié)，使煤水分離產(chǎn)生硬沉淀[3]。加入添加劑主要是增加煤粒表面的親水性。磨煤制漿工藝通過調(diào)配一定比例的煤、水以及添加劑，使之混合成高濃度、低粘度、適合氣化反應(yīng)的漿體。分公司水煤漿制備的流程見圖1。

圖1 水煤漿制備流程圖Fig.1 Flow chart of coal water slurry preparation

3 煤漿質(zhì)量差對氣化生產(chǎn)的影響

3.1 造成渣口堵塞

氣化爐的正常操作溫度在1300 ℃左右，為了便于液態(tài)排渣，煤的灰熔點應(yīng)低于操作溫度60 ℃左右。當(dāng)煤質(zhì)變化造成灰分變多、灰熔點變高，在氣化爐負荷一定的情況下單位時間內(nèi)通過渣口的灰渣量相應(yīng)增大[4]并且灰渣不能夠熔化成液態(tài)，就會導(dǎo)致氣化爐排渣不暢，造成渣口堵塞，影響到氣化正常生產(chǎn)，嚴(yán)重時甚至?xí)斐蓺饣癄t停車。日常操作中判斷渣口堵塞的方法如下：

(1)觀察中控電腦上渣口壓差參數(shù)，該數(shù)值若持續(xù)上升，則渣口可能發(fā)生堵塞；

(2)根據(jù)工藝氣成分分析數(shù)據(jù)判斷。渣口發(fā)生堵塞會造成工藝氣在燃燒室停留時間變長，造成更多的CO2參與反應(yīng)生成CO，如果分析數(shù)據(jù)中CO2占比明顯減小，CO占比明顯上升，說明渣口可能發(fā)生了堵塞；

(3)觀察撈渣機里落渣的形狀。渣口發(fā)生堵塞會使熱量聚在燃燒室內(nèi)，造成燃燒室溫度升高，從而使渣熔化出現(xiàn)拉絲現(xiàn)象。

3.2 造成系統(tǒng)水質(zhì)變差

煤中灰分會隨著燃燒反應(yīng)結(jié)束后隨工藝氣一起到激冷室中，大部分灰渣在激冷室中遇冷凝固排到鎖斗中，還有部分灰渣隨氣化爐黑水排放到閃蒸系統(tǒng)里，最終匯集到灰水槽中?；宜劾锏幕宜畷ㄟ^高低壓灰水泵再打入系統(tǒng)中循環(huán)使用，當(dāng)灰水槽的水得不到及時的置換時，就會造成系統(tǒng)水質(zhì)逐漸變差，水質(zhì)差到一定程度，就會造成管線、設(shè)備等堵塞，例如分公司遇到的氣化開車時激冷水流量只能開到215 m3/h(正常激冷水流量在280 m3/h左右)，氣化爐穩(wěn)定投運后激冷水一直維持低流量，嚴(yán)重影響到裝置生產(chǎn)運行。

3.3 造成工藝氣帶水

煤質(zhì)較差，灰分含量多不僅會造成系統(tǒng)水質(zhì)變差，還會造成工藝氣大量帶水。由于系統(tǒng)水質(zhì)很差，激冷室里的熱量積聚較多，造成激冷室里的水大量氣化，隨工藝氣一同進入洗滌塔內(nèi)，嚴(yán)重時會造成氣化爐和洗滌塔都帶水現(xiàn)象。

3.3.1 工藝氣帶水的現(xiàn)象

由于氣化生產(chǎn)高負荷、高溫度的特性，工藝氣帶水是很正常的情形，正常生產(chǎn)系統(tǒng)也可以維持水平衡。當(dāng)帶水量很大并且持續(xù)帶水時，氣化爐液位會站不住，持續(xù)性的帶水會造成洗滌塔補水閥LIC8301閥位一直往下關(guān)，洗滌塔底部排放流量變大。工藝氣大量帶水還會造成凈化裝置V6203罐液位升高，底部排放閥閥位開大。

3.3.2 工藝氣帶水的影響

(1)工藝氣大量帶水進入洗滌塔內(nèi)，會造成洗滌塔液位偏高，洗滌塔高壓灰水補水變少，灰水槽里的水用不掉，頂部較干凈的灰水溢流進廢漿池，較臟的灰水再進入氣化爐，造成系統(tǒng)水質(zhì)進一步惡化，形成惡性循環(huán)。

(2)另外，工藝氣大量帶水進入凈化裝置，會造成凈化變換爐催化劑遇水變冷碎裂，大大減少催化劑使用壽命，并且會造成變換爐壓差升高，造成系統(tǒng)壓力波動。

3.4 損傷設(shè)備

圖2 KV8204B閥門外部圖(a)，KV8204閥門內(nèi)部圖(b)和鎖斗充壓圖(c)Fig.2 External view of kv8204b valve(a)，Internal drawing of kv8204 valve(b) and pressure charging diagram of bucket lock(c)

原料煤質(zhì)量差內(nèi)含灰分多，導(dǎo)致氣化工段設(shè)備故障率頻發(fā)，設(shè)備使用壽命縮短[5]。燃燒反應(yīng)產(chǎn)生大量灰渣帶入系統(tǒng)中，隨水一同在在系統(tǒng)中循環(huán)，并且每一次循環(huán)都會夾帶更多的灰渣進入系統(tǒng)中，長時間的沖刷，會對管線、閥門等造成較大的損傷。另外，工藝氣中夾帶的少量H2S易溶于水形成酸對管線閥門造成腐蝕減薄，極大降低了它們的使用壽命，不僅會對生產(chǎn)帶來潛在的風(fēng)險，而且頻繁的更換設(shè)備也會帶來很多額外的經(jīng)濟損失。分公司2022年2月份B系列鎖斗閥KV8204B閥門閥座因長期使用受磨損嚴(yán)重，閥門出現(xiàn)內(nèi)漏現(xiàn)象，造成走鎖斗程序時，鎖斗壓力始終充不上去，最后通過在線更換閥門消除故障，見圖2。

正常生產(chǎn)時，鎖斗壓力都會充到3.9 MPa左右，由圖2(c)可知，由于鎖斗閥KV8204存在內(nèi)漏，導(dǎo)致2月28日上午10點到下午1點間，鎖斗一直處于反復(fù)充壓充不上的狀態(tài)，鎖斗泄壓排渣到充壓收渣時間很短，長時間充不上壓力從而觸發(fā)鎖斗跳停程序。隨后停鎖斗系統(tǒng)在線更換閥門，鎖斗系統(tǒng)恢復(fù)正常。

4 提高煤漿質(zhì)量對氣化裝置和生產(chǎn)帶來的收益

4.1 提高氣化系統(tǒng)水質(zhì)

當(dāng)煤質(zhì)質(zhì)量高，煤中灰分含量少，水煤漿燃燒產(chǎn)生的灰渣細灰成分就少，從而隨系統(tǒng)水帶走的灰分就少，再經(jīng)過沉降槽絮凝沉降進一步去除系統(tǒng)水中的灰渣，實現(xiàn)從源頭和循環(huán)過程兩方面提高系統(tǒng)水的水質(zhì)。2022年2月9日，分公司采用在原有神優(yōu)2#煤的基礎(chǔ)上摻燒神優(yōu)1#煤的方案，摻燒神優(yōu)1#煤是分公司原定計劃摻燒，目的在于嘗試使用新煤種，拓寬原料煤的范圍。神優(yōu)1#煤與神優(yōu)2#煤質(zhì)量比較表見表2。

表2 神優(yōu)1#和神優(yōu)2#煤種質(zhì)量比對表Table 2 Comparison of Shenyou 1# and Shenyou 2#

表3 摻燒神優(yōu)1#煤前后水質(zhì)氨氮含量對比表Table 3 Comparison of ammonia nitrogen content in water before and after mixing Shenyou 1#coal

摻燒神優(yōu)1#煤種之前，氣化裝置水質(zhì)已經(jīng)出現(xiàn)了問題，水中氨氮含量頻繁超標(biāo)。經(jīng)分析，這段時間神優(yōu)2#煤種煤質(zhì)可能發(fā)生變化，從而造成水中氨氮值偏高。正好按照生產(chǎn)計劃混摻1#煤種，并增加廢水外排放量以及外來補清水量置換系統(tǒng)水質(zhì)，降低閃蒸系統(tǒng)壓力，增加黑水中酸性氣體解析量，停用乏汽回收系統(tǒng)以降低系統(tǒng)水中氨氮含量，停收凈化水，提高系統(tǒng)水質(zhì)，摻燒1#煤前后系統(tǒng)水質(zhì)質(zhì)量見表3。

由表3可知，進行煤種混摻以及系統(tǒng)調(diào)整后，系統(tǒng)水中氨氮含量呈逐步降低的趨勢，水質(zhì)逐漸得到改善。

4.2 緩解結(jié)垢堵渣現(xiàn)象，實現(xiàn)長周期平穩(wěn)運行

影響系統(tǒng)長周期平穩(wěn)運行的因素有很多，裝置中每一個模塊出現(xiàn)問題都會對系統(tǒng)造成影響。生產(chǎn)中遇到的主要問題還是系統(tǒng)中存在堵塞現(xiàn)象，造成激冷水量不足、渣口或者下降管堵塞等。引起這些問題的主要原因是系統(tǒng)中灰分較多，而且氣化裝置污水外排至水處理能力有限，正常排放在50 m3/h，排放少時只有40 m3/h，這就造成大量的灰渣及金屬離子不能隨外排水排走，重新返回系統(tǒng)中，造成系統(tǒng)環(huán)境變差并形成惡性循環(huán)，灰渣久而久之越積越多，最終堵塞系統(tǒng)，造成系統(tǒng)排渣排水困難。提高煤質(zhì)質(zhì)量能夠有效的解決這一問題，煤質(zhì)質(zhì)量提高后，系統(tǒng)中灰分含量就會降低，再通過增加系統(tǒng)外補清水量，增加外排污水量，進一步降低系統(tǒng)中的灰渣量，從而極大地減小堵塞情況的發(fā)生，保障裝置實現(xiàn)長周期平穩(wěn)運行。

5 結(jié) 論

煤作為氣化反應(yīng)主要原料之一，對氣化生產(chǎn)起著決定性的作用。煤質(zhì)變差會加快造成氣化系統(tǒng)出現(xiàn)排渣排水不暢、水質(zhì)變差導(dǎo)致傳質(zhì)傳熱效果不顯著，造成工藝氣大量帶水現(xiàn)象并且對對閥門、管線等設(shè)備造成嚴(yán)重損傷等一系列問題，嚴(yán)重影響到裝置的長周期穩(wěn)定運行。因此在日常制備水煤漿的過程中，要對多方面的因素進行綜合考慮，從而制備出工業(yè)化高性能的水煤漿。

另外，在生產(chǎn)中：(1)要確保絮凝劑、分散劑的供應(yīng)量，每天要注意分散劑罐和絮凝劑罐的液位，如若液位不降或者下降較慢，要及時檢查分散劑、絮凝劑泵及其管線，確保分散劑及絮凝劑供應(yīng)正常。(2)適當(dāng)加大氣化爐黑水排放量，加快水循環(huán)，降低熱負荷，并定期用外來清水置換系統(tǒng)水，提高系統(tǒng)水質(zhì)，從而避免工藝氣大量帶水現(xiàn)象并緩解閥門、管線等設(shè)備的壓力，實現(xiàn)裝置長周期穩(wěn)態(tài)運行。(3)加強氣化爐運行狀況、渣口壓差、破渣機運行狀況監(jiān)控并及時分析工藝氣和污水檢測數(shù)據(jù)，若渣池出現(xiàn)大塊煤渣、渣口壓差上升、破渣機頻繁跳?，F(xiàn)象，適當(dāng)提高爐溫，檢查煤質(zhì)質(zhì)量，適時更換煤種。(4)嘗試其它煤種，拓寬分公司原料煤使用范圍。同一類煤種在不同時間段其煤質(zhì)質(zhì)量也存在較大的差異，拓寬原料煤種類可以有效應(yīng)對這一種情況的發(fā)生。