曹真真,馬軍志,孟 雪,王洪營

(河南心連心化學(xué)工業(yè)集團股份有限公司，河南新鄉(xiāng) 453700)

1 前言

在加壓氣流床氣化工藝中，原料煤經(jīng)過干法研磨或濕法研磨制成相應(yīng)爐型的原料粉體或原料漿，通過輸送進入高溫高壓氣化爐，在純氧的條件下，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成相應(yīng)的合成氣，供下游工段使用。不是所有的煤種都適合氣化反應(yīng)，原料煤在預(yù)處理前需要通過工業(yè)分析、灰熔融性分析、灰分組分分析、成漿性分析、黏溫特性分析篩選，再按一定的配比制得合適的原料煤供生產(chǎn)使用。若對爐煤質(zhì)不加控制，或者隨意更改指標(biāo)，則會出現(xiàn)爐況波動現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)停車。通過提升優(yōu)化煤質(zhì)管理措施，可以穩(wěn)定氣化裝置運行，降低煤耗成本。

2 煤質(zhì)波動對氣化操作的影響

水煤漿氣化常用的煤種以神府地區(qū)煤礦、蒙煤為主，少量摻燒山西煤[1]，整體控制指標(biāo)：灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～15%，全水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～22%，揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～37%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1%，固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%～65%；煤灰熔點≤1 250 ℃，煤灰黏度為2.5～25 Pa·s，對應(yīng)操作溫度區(qū)間≥70 ℃;100 s-1剪切速率下，黏度小于1 000 mPa·s。在煤質(zhì)開采、運輸過程中，由于煤層變化、摻混比例不穩(wěn)定、摻燒未找到最佳配比，導(dǎo)致氣化爐入爐煤組分變化或不穩(wěn)定，引起氣化燒嘴壓差波動、下降管堵塞、渣口壓差波動、合成氣組分下降或者波動大等問題。

2.1 氣化爐燒嘴壓差波動

行業(yè)內(nèi)水煤漿氣化爐分為頂噴式氣化爐和四噴嘴氣化爐2種形式。頂噴式氣化爐的燒嘴壓差波動會直接影響渣口壓差波動；四噴嘴氣化爐的燒嘴壓差波動會導(dǎo)致燒嘴偏噴，從而加劇燒嘴燒蝕現(xiàn)象。實際生產(chǎn)中，四噴嘴氣化爐燒嘴壓差波動引起的表現(xiàn)如下：

(1) 燒嘴壓差頻繁波動時，燒嘴壁溫也同樣頻繁波動，從趨勢上看無規(guī)則比例關(guān)系。

(2) 燒嘴壓差波動趨勢會引起燒嘴冷卻水回水溫度的變化。當(dāng)壓差波動逐漸增大時，回水溫度逐漸升高；當(dāng)壓差趨于穩(wěn)定時，回水溫度逐漸恢復(fù)正常，兩者成反比。

(3) 燒嘴壓差趨勢與氣化合成氣中CH4、CO的含量也存在一定的關(guān)系。當(dāng)壓差出現(xiàn)波動時,CH4、CO含量也隨之波動。壓差波動引起燒嘴霧化不好，導(dǎo)致氧氣流量波動進而影響氣化爐內(nèi)的溫度場，引起合成氣中CH4、CO含量變化。

(4) 通過對比燒嘴壓差波動期間的入爐煤質(zhì)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)煤質(zhì)中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高，且黏溫特性波動較大。

2.2 渣口壓差波動

渣口壓差波動的直接原因是渣口不暢或堵塞，本質(zhì)原因是氣化爐操作溫度與入爐煤灰熔融溫度不匹配。常規(guī)氣化爐溫度的控制原則是，在保證液態(tài)排渣的情況下盡可能維持較低的溫度。若入爐煤的灰熔點由低向高變化時，爐溫調(diào)整不及時，爐溫長時間低于所需的操作溫度，流動性不好的熔渣在爐壁和燃燒室錐底積累。當(dāng)熔渣累積到一定程度后，在重力和氣體沖擊力的雙重影響下，熔渣沿著爐壁流向渣口，渣口壓差變大。同時,氣體在燃燒室停留時間分布發(fā)生變化，氣體成分會隨之改變。

2.3 下降管堵塞

作為激冷氣化流程的核心部件。同時,被安裝在激冷環(huán)的下方，對合成氣起到均勻降溫和水洗的作用。下降管常規(guī)的損傷表現(xiàn)為內(nèi)部變形，而更嚴(yán)重的情況則是下降管堵塞。堵塞情況是因為入爐煤的黏溫特性較差，熔渣在通過下降管時，由于溫度下降，流動性變差，造成渣口處大量熔渣不能被及時排出，或者大量的熔渣堵塞下降管，導(dǎo)致合成氣氣體無法被正常排出。氣化爐托磚板測溫點溫度猛然由250 ℃升高至500 ℃左右，氣化爐鎖斗不穩(wěn)定排渣，所排渣出現(xiàn)大塊或有較多玻璃絲的情況。

圖1為正常煤種黏度曲線圖。由圖1可知:該煤種的煤灰黏度在5～25 Pa·s時，對應(yīng)的操作溫度為1 180～1 250 ℃，操作溫度區(qū)間為70 ℃。在溫度變化過程中，黏度曲線平緩。該類煤種氣化爐爐溫控制在1 270 ℃時，可以順利完成液態(tài)排渣過程。

圖1 正常煤種黏溫數(shù)據(jù)曲線圖

圖2為異常煤種黏溫特性曲線。由圖2可知:該煤種的煤灰黏度在5～25 Pa·s時，對應(yīng)的操作溫度為1 365～1 385 ℃，操作溫度區(qū)間為20 ℃。在溫度變化過程中，曲線變化陡峭。該類煤種氣化爐爐溫需控制在1 450 ℃以上，方能完成液態(tài)排渣過程，且黏度隨溫度升高陡然上升。大量使用這類煤種，會給操作帶來較大困難，容易出現(xiàn)堵渣和渣口壓差波動現(xiàn)象。

圖2 異常煤種黏溫數(shù)據(jù)曲線圖

3 常規(guī)煤質(zhì)管理措施

3.1 常規(guī)煤質(zhì)分析

對于煤化工企業(yè)來說，常規(guī)煤種的基礎(chǔ)分析包括工業(yè)分析、元素分析、灰熔融性分析，以及發(fā)熱量、可磨性指數(shù)測定等。

(1) 工業(yè)分析

工業(yè)分析中關(guān)鍵指標(biāo)為灰分、全水、內(nèi)水、揮發(fā)分、固定碳，通過該分析可以基本判斷煤質(zhì)的特性，是入爐煤分析的主要指標(biāo)。

(2) 元素分析

元素分析一般在工藝包設(shè)計或氣化煤種更換進行工藝包測算時進行，通過分析可以獲得該煤種的硫含量、發(fā)熱量數(shù)據(jù)。該分析對氣化爐操作調(diào)節(jié)作用不大，故正常生產(chǎn)過程中，不經(jīng)常分析。

(3) 灰分分析

礦物質(zhì)是煤的重要組成部分，煤燃燒、氣化時，礦物質(zhì)轉(zhuǎn)變成灰分[2]。研究學(xué)者指出，氣化用煤的煤灰熔融溫度、黏度等指標(biāo)與煤灰的化學(xué)組成[3]有關(guān)。根據(jù)煤灰化學(xué)成分可對應(yīng)得出煤灰熔融溫度。有經(jīng)驗的單位可以根據(jù)灰渣的酸堿比、硅鋁比推測出煤灰的熔融特性，為操作提供依據(jù)。

(4) 煤灰熔融特性分析

煤灰熔融溫度[4]是氣化用煤的重要指標(biāo)，準(zhǔn)確測定煤灰熔融溫度對氣化用煤有重要意義。由于煤灰是復(fù)雜的混合物，沒有嚴(yán)格物理意義上的熔點，采用變形溫度(DT)、軟化溫度(ST)、半球溫度(HT)、流動溫度(FT)來描述其熔融過程的變化。

通過對入爐煤進行分析后，初步判斷是否符合標(biāo)準(zhǔn)，同時區(qū)別出不同礦區(qū)、不同煤種的特性。整理和提煉歷史分析數(shù)據(jù)，有助于總結(jié)入爐煤質(zhì)操作手段。

3.2 用煤管理平臺的應(yīng)用

區(qū)別于已知的配煤軟件、Lims系統(tǒng)等功能單一的軟件系統(tǒng)，智慧用煤管理平臺可以將煤炭運輸、儲存調(diào)研、煤質(zhì)檢測等多種數(shù)據(jù)進行集中展示;同時，集配煤管理、試驗煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)管理、煤源采購管理、庫存管理等多項功能于一體。在整個智慧化用煤系統(tǒng)中，應(yīng)用設(shè)計邏輯和算法最多的是配煤系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要結(jié)合入爐煤質(zhì)建立煤炭預(yù)測模型，通過神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法、最小二乘法等回歸分析方法，找出灰分和灰渣熔融性的關(guān)系，預(yù)測配煤后煤質(zhì)情況。配煤邏輯算法結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 配煤邏輯算法結(jié)構(gòu)圖

3.3 煤炭采購存儲管理

對所有煤化工企業(yè)來說,煤炭采購是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，保證質(zhì)優(yōu)、供應(yīng)穩(wěn)定的碳源是基本要求。但受天氣、政策等因素導(dǎo)致煤源緊張、庫存不足等限制，企業(yè)為了連續(xù)生產(chǎn)，不得不采用臨時煤種進行試燒。因為調(diào)研和試燒論證不足，臨時替換煤種存在較大風(fēng)險。同時,由于煤源緊張，還伴隨煤質(zhì)評價、摻燒比例等過程管控能力的下滑，建議日常做好配煤方案研究和備選礦源儲備，做好相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。企業(yè)要提高更換方案制定、煤種分析評價、摻燒混配監(jiān)督、氣化裝置預(yù)警通報等環(huán)節(jié)的重視程度。

4 結(jié)語

煤化工企業(yè)進行煤質(zhì)管理時，不單單是總結(jié)操作層面的經(jīng)驗，還需要形成一套嚴(yán)格的管理辦法，涵蓋煤源拓展、供應(yīng)商儲備、備用煤種論證、摻燒方案試驗、煤種快速切換、操作預(yù)警、應(yīng)急預(yù)案及操作指導(dǎo)等環(huán)節(jié)，同時成立各種攻關(guān)小組進行過程管控，建立精細(xì)化的管理方案?？傊?，穩(wěn)定的煤種品質(zhì)是整個生產(chǎn)線安穩(wěn)長滿優(yōu)運行的基石。