优化原煤配比，提高航天炉装置运行效益



优化原煤配比，提高航天炉装置运行效益

于松芝童维风黄保才吴学仕

(安徽晋煤中能化工股份有限公司安徽临泉236400)

0 前言

原料煤煤质的优劣对其气化反应过程有着十分重要的影响。航天炉粉煤气化系统中的粉煤流速高、气化反应速度快、停留时间短，工艺对原料煤的粒度、水分含量、特性等要求很高。气化炉需要一个稳定的渣层，而入炉的煤种更换和煤质的频繁波动，难以进行预见性的调节，都不利于装置的安全运行。因此，无论是从技术经济角度考虑，还是从安全生产角度考虑，都应该探索适合于航天炉粉煤气化装置特点的原料煤煤种。

1 航天炉粉煤气化运行现状

由于煤炭行情的变化以及公司发展战略调整，使用单一煤种进行气化反应不能充分发挥出航天炉装置经济运行的优势，因而为寻求煤气化较适宜的煤种及比例，在实际运行中需要对入炉煤种、比例进行频繁切换，导致气化炉燃烧流场及水冷壁保护渣层处于不稳定状态，主要表现为炉温波动、各项消耗上升。

2013年至2014年，影响安徽晋煤中能化工股份有限公司航天炉系统消耗的主要因素及所占比例：46.0%煤种变化，26.5%设备原因，7.5%计划停车，6.0%操作失误，4.0%设计缺陷，10.0%其他原因。

由于气流床气化炉自身的特点，对原煤的均质化要求较高，而气化原煤配料工序的设备、工艺特点决定了难以实现原料煤配比的精确性与配煤的均质化。航天炉粉煤加压气化工艺与德士古水煤浆炉、GSP炉有相似之处，但也有其自身的特点和优势，拓宽煤种是实现航天炉经济效益最大化的必然趋势。根据原料煤试烧结果提出优化配煤方案并多次进行试烧，经过进一步优化，使原料煤配比方案逐渐趋于完善。

2 影响航天炉装置经济运行的原因分析

2.1煤质变化过大，调整不及时

航天炉粉煤气化装置自投产运行以来，多次出现工况大幅度波动甚至停车事故。究其原因是煤库存数量少、入炉原料煤切换频繁，给气化工艺调整带来困难。由于所用原料煤的质量达不到设计要求，造成煤耗、氧耗明显超过设计值，从而影响气化装置经济稳定运行。

2.2掺烧煤种及比例调整频繁

在很长一段时间内，航天炉使用原料煤种类一直在5种以上。由于不同煤种的有关组分、煤灰熔融温度、煤灰流动特性等不同，每次更换煤种都会导致气化炉水冷壁重新换渣，而气化炉每次完成换渣大约需要8 h，甚至更长时间，在此期间，工艺波动，各项消耗也随之上升。

2.3原料煤配比不合理

航天炉在实际运行中，当煤种变化时，容易造成航天炉渣口堵渣，被迫大幅度降低生产负荷。由于这些原因，限制了航天炉原料煤适用范围。因此，很有必要针对航天炉煤气化煤种适应性进行探索，拓宽航天炉适应性煤种选择范围，对于保证航天炉粉煤加压气化装置长周期稳定、安全、经济运行具有重要的现实意义。

2.4烧嘴设计问题

(1)在长期的运行中，烧嘴易出现不同程度的磨损、头部龟裂，从而影响气化炉的燃烧流场，致使气化炉水冷壁挂渣不稳定和煤的燃烧不完全。因此，烧嘴还需要进一步优化、改进。

(2)在运行中，由于加减负荷过快，烧嘴头部易附着熔渣。氧和煤通过烧嘴高速喷出，由于烧嘴顶部附近是炉膛内的温度低点，在炉膛内激烈的气渣返混中易有少量的熔渣附着在烧嘴顶部，导致烧嘴偏流，破坏了气化炉稳定的燃烧流场，造成气化工况的波动。

3 混煤优化方案实施情况

3.1试验分析阶段

通过对原料煤煤质、黏温特性、煤焦渣指数的分析，寻找理论支持。

3.1.1灰分对气化过程的影响

原料煤中灰分含量过低时，燃烧后形成的渣量较少，导致水冷壁耐火材料上无法挂渣，只能通过降低气化炉的操作温度维持运行；原料煤中灰分含量过高时，产生的灰渣不能及时排出，会影响灰水处理系统和气化装置的正常运行，严重时会导致停车事件。为了稳定航天炉装置的稳定、长周期经济运行，原料煤中灰分质量分数一般应控制在10%～15%。

3.1.2灰熔点对气化过程的影响

为保证气化炉正常液态排渣，操作温度一般控制在高于煤灰流动温度50～100 ℃。对于低灰熔点(<1 300 ℃)的煤(如神木煤)，气化炉操作温度可以控制在1 400 ℃左右，同时也能有效地保护耐火材料以及水冷壁的安全运行，气化炉操作弹性空间较大。对于高灰熔点(>1 450 ℃)的煤(如晋城的长平煤)，操作温度1 550 ℃对航天炉耐火材料和水冷盘管短时间不会造成损害，但很难维持长周期的安全运行，很难实现单独试烧。为确保航天炉安全稳定运行，使用煤种的灰熔点最好<1 450 ℃。

3.1.3挥发分对气化过程的影响

对航天炉来说，由于航天炉煤烧嘴采用顶喷式结构，原料煤中挥发分的燃烧释放出的大量热量使烧嘴处在较高的辐射热中，烧嘴头部容易出现龟裂、泄漏而影响其使用寿命；原料煤中挥发分过高，燃烧后的火焰刚性差，容易造成气化炉拱顶超温，影响装置的安全稳定运行。所以，煤中挥发分也不宜太高，原料煤挥发分质量分数一般要求在30%～36%。

3.1.4焦渣指数对气化过程的影响

焦渣指数在1～2类的煤，由于其燃烧后几乎无黏结性，在灰水系统中不易产生黏结，系统长时间运行后，激冷室内部不易产生积灰、结渣现象；焦渣指数在3～8类的煤都具有黏结性，且类别越高黏结性越强，在灰水系统中越容易积灰、结渣，造成系统无法长周期安全运行。

3.1.5热值对气化过程的影响

对于航天炉来说，粉煤从烧嘴喷出与氧气混合燃烧后，在炉膛内的停留时间短，高热值的煤在炉膛得不到充分利用，这就造成系统粗渣、滤饼中残碳量升高。使用高热值煤为原料时，虽然原料煤消耗会有所下降，但折算成标煤耗后，其消耗会明显高于低热值原料煤。

3.2实施阶段(2013—2014年煤种试烧)

3.2.1不同煤种(主要煤种)的试烧情况

(1)神木煤：灰熔点1 200 ℃左右，固定碳质量分数58%左右，灰分质量分数10%左右，黏温特性区间适当，挂渣好，有利于气化炉炉温控制，满足气化炉对煤种适应性的需要。

(2)长平煤：灰熔点>1 450 ℃，固定碳质量分数69%左右。将长平煤与神木煤按合适比例混合后，灰熔点能降至1 350 ℃，符合航天炉用煤要求。煤场的管理也十分重要，应确保原料煤根据性质分类堆放，不同的煤按不同比例掺烧，尽量避免煤种和掺烧比例的频繁调整。

(3)灵通煤：灵通煤(灰熔点>1 250 ℃，固定碳质量分数在56%左右)能与神木煤在相应较小比例(灵通煤质量分数不宜超过35%)下混合掺烧，否则会出现燃烧不完全，提炉温时又不利于挂渣，最终导致煤耗、氧耗高。

(4)黑山煤：航天炉粉煤气化装置试烧热值较高(27 000 kJ/kg左右)的新疆黑山煤后，粗渣、滤饼中残碳量明显上升。粗渣中残碳质量分数由10%升至25%，滤饼中残碳质量分数也由30%升至45%。

(5)张家峁煤：张家峁煤中含碳质量分数在59%左右，灰熔点在1 250 ℃左右，但是黏温特性差，流温区间窄，仅34 ℃(一般要求>80 ℃)，挂渣困难，易引起炉温波动、渣口堵塞、煤耗升高。

3.2.2煤质数据对比分析

2013年和2014年各月混煤水分、挥发分、灰分对比以及混煤热值对比分别见表1和表2。

3.2.3选择合适煤种，稳定配煤比例

不同煤种配煤比例(质量比)及吨氨煤耗如表3所示。

表12013年和2014年各月混煤水分、挥发分、灰分对比

%(质量分数)

表22013年和2014年各月混煤热值对比

kJ/kg

表3不同煤种配煤比例(质量比)及吨氨煤耗

项 目配比(100%计)吨氨煤耗/t神木∶长平85∶151.350神木∶长平70∶301.385张家峁∶赵庄65∶351.468神木∶灵通∶黑山60∶25∶151.414神木∶灵通70∶301.357神木∶灵通65∶351.360神木∶灵通50∶501.386神木∶硕林∶灵通60∶15∶251.371神木∶柠条塔∶灵通40∶30∶301.380

3.2.42013年与2014年各月吨氨煤耗对比

2013年和2014年各月吨氨煤耗(2013年主要煤种为神木、长平、张家峁、赵庄、灵通、黑山，2014年主要煤种为神木、灵通、硕林、柠条塔)对比见表4。

3.2.5航天炉装置其他数据统计

2013年与2014年航天炉装置其他数据统计见表5。

3.3分析总结阶段

通过对表1至表5的数据进行分析后不难看出：2014年的煤质和煤种均较2013年的稳定，气化原煤消耗也有明显下降；2014年各月混煤水分较2013年稳定，且2014年全年混煤水分(质量分数)较2013年低0.46%；2014年各月混煤灰分较2013年稳定，且2014年全年混煤灰分(质量分数)较2013年降低3.18%；2014年各月混煤的热值较为稳定，且2014年平均热值较2013年高271.14 kJ/kg；对不同煤种的优化配比掺烧都会对航天炉粉煤气化装置吨氨煤耗造成一定影响，不同煤种以及配比(质量分数)的吨氨煤耗各不相同，总体来看，神木(85%)∶长平(15%)和神木(65%)∶灵通(35%)配比运行较为经济，且实际运行工况更稳定，炉温容易控制，各项指标处于较好状态； 2014年各月的吨氨煤耗总体稳定，且较2013年有明显下降；随着煤种的减少和混煤比例的调整频次降低，航天炉粉煤气化装置运行稳定性不断提高，设备运行状况有所好转，激冷室内件少更换1次，激冷室积灰清理减少1次，同时吨氨煤耗明显下降。由此可见，优化混煤，对提高航天炉粉煤气化装置经济运行起到了积极有力的推动作用。

表42013年与2014年各月吨氨煤耗对比

t

表52013年与2014年航天炉装置其他数据统计

项 目2013年2014年原煤种类/种115入炉煤比例调整/次7130停车次数/次53激冷室清灰次数/次10激冷室内件更换次数/次10装置开工率/%95.0796.16吨氨煤耗/t1.4151.390