浅谈水煤浆气化炉用煤

马远彬

(兖矿鲁南化工有限公司，山东滕州 277527)

兖矿鲁南化工有限公司(以下简称兖矿鲁化)现有2套甲醇共计500 kt/a的装置、2套乙酸共计800 kt/a的装置、2套尿素共计700 kt/a的装置，采用水煤浆气化技术，气化炉用煤主要为陕西神木煤和本地精煤。水煤浆气化炉工艺流程如图1所示。

图1 水煤浆气化炉工艺流程

1 煤浆特性分析

煤、添加剂、工艺水按一定比例在球磨机中混合，研磨成一定粒度分布、质量分数约60%的水煤浆。水煤浆分析包括可磨性、粒度分布、浓度、黏度、流变性、稳定性、添加剂选择等，工业分析包括水、灰、挥发分、固定碳、发热量、灰熔点、灰成分等；影响煤浆制备的主要因素有水煤浆浓度、煤浆黏度、煤浆粒度分布等[1-2]。

1.1 水煤浆浓度

影响水煤浆浓度的因素有：①原料煤内水含量；②原料煤与工艺水、添加剂的添加比例。保持煤浆添加剂浓度的稳定，控制其有效成分的稳定。当添加剂中水分含量高时，应适当减少工艺水的添加量。当生产负荷发生变化时，原料煤、工艺水及添加剂加入量均应作相应的调整。

1.2 煤浆黏度

影响煤浆黏度的因素有：①煤浆粒度分布；②添加剂用量。当煤浆平均粒度偏细时，煤浆黏度会增大；当煤浆粒度分布偏粗时，煤浆黏度会降低。煤浆浓度增高时，煤浆黏度会随之增高；当煤浆浓度降低时，煤浆黏度也会随之降低。在一定范围内，添加剂用量增加会降低煤浆黏度；添加剂用量减少会使煤浆黏度升高[3]。

1.3 煤浆粒度分布

影响煤浆粒度分布的主要因素有：①原料煤的硬度；②保证磨机内钢球级配的合理性。原料煤的硬度大时，煤不易被磨细，导致入磨机原料煤粒度大，煤浆粒度变粗；反之，则煤浆粒度变细。生产中调整钢球级配是调节煤浆粒度分布的主要手段。

2 煤灰的特性

灰分是煤中的无用形式成分，使其顺利地以液态渣的形式排出是煤气化技术的关键，灰分的含量和特性决定了气化炉选型。煤中灰的特性决定了气化炉选型，而不是用气化炉去选择用煤。

2.1 煤的灰分含量

水煤浆气化中，煤中灰分每增加1%，氧耗增加0.7%～0.8%，煤耗增大1.4%～1.5%；其次，灰分含量增加使烧嘴和耐火砖的磨损加剧，使用寿命大大缩短，灰水、黑水中的固含量升高，系统管道、阀门、设备的磨损率等加大。同时，灰分含量高还带来合成气管线堵塞、水洗塔塔盘堵塞，造成带水、蒸发热水塔带水、变换炉阻力增加等负面影响。

2.2 煤的灰熔点

灰熔点指固体燃料中的灰分达到一定温度以后发生变形、软化和熔融时的温度。为使气化炉顺利排渣，通常气化炉的操作温度高于煤的灰熔点50～100 ℃为宜。若煤的灰熔点高，必须将气化炉的操作温度提高至煤的灰熔点以上，温度提高使气化炉耐火砖的使用寿命相应缩短，有效气体成分降低。气化炉的操作温度每提高100 ℃，耐火砖的磨蚀速率增加3倍。

3 灰渣的黏温特性

黏度是衡量流体流动性能的主要指标，要实现气化温度下灰渣以液态顺利排出气化炉，黏度应在合适的范围之内，既要保证在耐火砖表面形成有效的灰渣保护层，又要保持一定的流动性。根据国内、外对液态排渣研究指出，水煤浆气化炉黏度控制在25～30 Pa·s时，可实现顺利排渣。

3.1 影响灰渣黏度的因素

煤灰主要矿物质成分是Al2O3、SiO2、MgO、K2O、Na2O等。Al2O3是灰渣熔点升高、黏度变差的主要成分，Al2O3含量越高，煤灰的流动温度越高。SiO2是煤灰成分中含量最高的组分，使煤的灰熔融特性变差，黏度升高，但与CaO可以形成低熔点的物质，在一定范围内添加CaO可以消弱对灰黏度的影响。CaO是降低灰熔点的组分，与SiO2形成低熔点的硅酸盐，因而CaO是最常用助熔剂组分，其添加量应控制在与灰分之比为20%左右。Fe2O3也是降低灰熔点及灰渣黏度的组分，因为Fe2O3在还原气氛下被H2或CO还原为FeO，FeO与灰渣中的SiO2和Al2O3形成低熔点的共熔物。试验表明，Fe2O3含量每增加1%，煤灰的软化温度平均降低18 ℃。当K2O和Na2O含量增高时，煤灰熔融温度显著下降，其含量每增加l%，煤灰的流动温度平均降低16 ℃。

3.2 操作温度区间的确定

液态排渣要求操作温度应高于灰熔融温度FT。液态排渣必须顺畅，熔渣黏度不能高于25 Pa·s，温度不低于T25(T25指熔渣黏度为25 Pa·s 时的灰熔融温度)，操作温度低限应高于T25，即T25+ΔT(ΔT指熔渣在气化炉内的温降)。液态排渣应确保耐火砖或水冷壁安全，熔渣黏度不能低于3 Pa·s，温度不高于T3(T3指熔渣黏度为3 Pa·s时的灰熔融温度)。

操作温度高限低于ΔT的选择要考虑熔渣在炉内的温降，煤灰与熔渣黏温特性差异于T3，水煤浆炉T3选择1 400 ℃，因此，水煤浆气化操作温度(T25+ΔT)→T3(1 400 ℃)。

4 金鸡滩煤炭试烧情况

根据前期煤炭试验分析数据，最终确定按照80%(质量分数，下同)金鸡滩煤和20%鲍店煤混煤进行试烧[4-5]。此混煤的黏温特性区间为1 209～1 347 ℃，此时既能液态顺畅排渣，又避免了长期高温对耐火砖的侵蚀，气化炉的操作温度应控制在1 270～1 310 ℃。金鸡滩煤灰黏温特性曲线如图2所示，金鸡滩混煤制浆的煤灰黏温特性曲线如图3所示。金鸡滩混煤试烧工艺参数如表1所示。

图2 金鸡滩煤灰黏温特性曲线

图3 金鸡滩混煤制浆的煤灰黏温特性曲线

项 目煤浆浓度/%有效气体积分数/%灰熔点/℃灰分质量分数/%渣中可燃物质量分数/%ABC炉ABC炉ABC炉ABC炉A炉B炉C炉金鸡滩+鲍店(80%+20%)63.5980.54129011.705.811.562.5679.22126011.509.833.661.1879.08128011.8138.341.661.8979.18129013.226.78.161.4879.68122010.558.915.362.1279.77122010.885.030.8金鸡滩+鲍店(85%+15%)61.9479.85121010.1719.536.425.861.4279.27127011.8316.713.727.662.6480.2812409.887.89.44.062.4180.3912109.814.07.626.462.6080.3012409.9816.611.923.563.0380.6712109.3212.614.926.7

本次试烧期间，气化炉高炉温操作，出现灰分含量升高、气化炉渣口压差较难控制、锁斗压差升高、气化炉合成气出口管线有积灰堵塞以及气化炉阻力升高等问题，但整体效果还是比较理想，为配煤试烧迈出了关键的一步，达到了根据煤灰黏温特性配煤的效果。

5 结语

水煤浆气化炉用煤应选取易洗、低灰、高挥发分、低黏结性的煤种，一般具有以下特征：灰熔点在1 350 ℃以下，挥发分质量分数在25%以上，内水质量分数在10%以下，灰分质量分数在15%以下；发热量越高越好，一般在23 MJ/kg以上，具有良好的可磨性和成浆性，上述指标是达到水煤浆气化技术的最低要求。水煤浆气化炉用煤最主要是以黏温特性为主导，对不同煤种以改变煤灰组成、降低灰熔融温度配煤并指导生产。

参考文献

[1] 张华新，刘汉勇.水煤浆气化用煤要求及煤种选择与采样程序[J].大氮肥，2002，25(6)：373- 376.

[2] 范立明，原俊杰，赵新合.水煤浆加压气化原料用煤的选择及更换[J].煤化工，2001(2)：46- 50.

[3] 张继臻.优化配煤技术在水煤浆气化中的应用[J].煤化工，2000(1)：41- 47.

[4] 范立明.水煤浆加压气化原料用煤更换总结[J].化肥工业，2000，27(5)：16- 20.

[5] 丁志坚，张运宝.多喷嘴水煤浆气化炉用煤质量信息化管控平台的建立及效果[J].化工设计通讯，2013(4)：67- 69.