多喷嘴水煤浆气化炉堵渣原因及原料煤粘温特性浅析

李乐伦，李 娜

（1.兖矿新疆煤化工有限公司，新疆乌鲁木齐 830011；2.新疆大学，新疆乌鲁木齐 830000）

1 气化装置生产状况及背景

兖矿新疆煤化工有限公司600kt／a醇氨联产项目采用多喷嘴水煤浆加压气化炉等7项国际先进、国内一流的技术，配套建设300kt／a甲醇、300kt／a合成氨、520kt／a尿素装置。项目共配有3台多喷嘴水煤浆气化炉 （两开一备），以新疆本地煤为原料。原料煤煤质稳定是气化装置稳定运行的基础，可以说在煤化工企业生产中“煤质稳定则气化装置运行稳定，气化装置运行稳定则全厂生产稳定”。新疆的煤炭储量非常大，但是没有太多适合多喷嘴水煤浆气化炉使用的煤炭；而且，在开采过程中，由于遇到断层等工程地质条件的变化，同一矿点的原料煤煤质变化可能也较大，且供应量有限。

兖矿新疆煤化工有限公司600kt／a醇氨联产项目自2012年9月27日气化炉投料以来，由于对原料煤煤质及煤灰性质掌控欠缺，3台气化炉（两开一备）反复出现激冷室渣堵、下降管烧穿、气化炉运行周期短、耐火砖侵蚀严重等问题，气化炉频繁减量、切气、停车，气化装置运行磕磕绊绊、事故频发，生产运营极为被动，成为制约系统长周期、稳定运行的关键因素；而且，频繁开停车消耗了大量的人力、物力、财力，吨氨煤耗及吨尿素氨耗均居高不下。

经统计，仅2015年全年因堵渣造成单台气化炉切气或停车达16次，给公司的运营造成严重影响和带来重大的经济损失。虽然公司 （针对不达标的原料煤）采取了截仓处理及提高炉温、降低负荷、不定期倒炉等应对措施，但终因渣堵严重，气化炉无法继续运行，气化装置被迫停车处理。

因此，“吃透”新疆煤煤质特性，筛选出合适的原料煤，对部分煤种进行调配以拓宽气化煤种，即寻求合适、（煤质）稳定的原料煤成为解决生产被动的关键所在。

2015年公司开始认识到气化用煤灰渣粘温特性的重要性，并逐步以原料煤粘温特性为主导因素，严格把控入厂气化用煤质量，并尝试配煤试烧，经过不断摸索、总结，气化炉工况趋于稳定，基本杜绝了堵渣现象，目前公司双炉 （3台气化炉，两开一备）双系统 （合成氨-尿素系统、甲醇系统）实现了安全、稳定、长周期运行，多喷嘴水煤浆加压气化技术工艺可靠、技术先进的优点得到了体现。

2 气化炉堵渣的原因

水煤浆与纯氧在气化炉内反应，其灰渣呈熔融状态沿气化炉内壁流向渣口，若渣口处温度能够使灰渣处于较好的流动状态 （即该温度下灰渣的粘度适当、流动性好），气化炉则能正常排渣；反之，灰渣的流动性差，不能顺畅流动，就会在气化炉渣口处形成积渣，并伴随气化炉渣口压差上升，这便是气化炉堵渣的原因。

通常认为，气化炉正常操作温度控制在1200～1350℃，即一般高于原料煤灰熔点50～100℃，这是业内及文献中最常见的说法［1］，在此温度区间操作就能够保证气化炉下渣顺畅，确保气化炉的安全、稳定运行。但实际生产中情况千差万别，我公司的情况就并非如此。我公司在气化炉投运初期，其操作指导方针是：气化炉炉膛温度高于气化煤灰熔点50～100℃，气化炉正常操作温度控制在1200～1350℃。在这样的操作指导方针下，我公司气化炉的实际运行情况却是运行周期短、耐火砖侵蚀严重，易发生气化炉排渣不畅、下降管烧穿等事故。图1是堵渣频繁时期我公司气化用煤灰熔点的统计。可以看出，原料煤灰熔点波动频繁且幅度较大，波动幅度最高达60℃，如果炉况调整不及时，必定导致气化炉出现问题。结合下文图2可以看出，煤的灰熔点只是表征此时灰渣处于熔融状态，并不能说明其具有较好的流动性，或者气化炉操作温度再升高50～100℃，灰渣就具有较好的流动性。

图1 堵渣频繁时期气化用煤灰熔点 （FT）统计

通过对堵渣原因的分析可知，气化炉堵渣与否与灰渣的粘度有直接关系，若能较好地把控灰渣的粘温特性，就能实现气化炉少堵渣、不堵渣乃至稳定、长周期运行。因此，对煤灰的粘温特性进行研究非常有必要。

3 气化炉操作温度的确定

对于煤灰而言，其温度越高粘度越低，灰渣的流动性就越好。原料煤在气化炉内反应后，渣口处灰渣呈熔融流动状态其粘度为25Pa·s时对应的温度称为T25，渣口处灰渣呈熔融流动状态其粘度为3Pa·s时对应的温度称为T3；由于存在热量损失，气化炉炉膛温度一般高于渣口处温度，两者温差一般在20～30℃，称为T损。大量实验数据及工业生产数据表明，当灰渣温度在T25～T3之间，即灰渣的粘度在25～3Pa·s时，灰渣熔融流动性较好，渣口处下渣顺畅。

3.1 炉温上限的确定

依据煤灰的粘温特性曲线，我公司气化炉操作温度高限一般定为T3+T损，且操作温度高限还必须小于1400℃，这是考虑到炉内耐火砖的使用寿命。经验表明，气化炉操作温度每升高100℃，耐火砖损坏率会增加3～4倍，且在较高温度下灰渣粘度非常小，流动性极好，会导致耐火砖表面无挂渣，不能形成有效的保护层，耐火砖直接接触高温气体，侵蚀和剥落加剧，对耐火砖十分不利，其使用寿命将明显缩短。现场经验和实验室测试均表明，当操作温度与特定的灰渣粘度相匹配时，耐火砖使用寿命最长。此外，气化炉操作温度高，还会造成有效气成分偏低、比煤耗和比氧耗偏高、灰水药剂消耗量增大［2］。

3.2 炉温下限的确定

炉温下限的确定，主要是为了确保气化炉能够顺畅排渣，应视煤质情况予以确定。依据煤灰的粘温特性曲线，我公司气化炉操作温度下限一般定为T25+T损。此外，一般来说，气化炉操作温度下限要高于煤的灰熔点，并且保证其灰渣具有一定的流动性，以便能够顺利排渣。

因此，气化炉只有在煤灰最佳粘度对应的温度范围内操作，炉砖表面才能形成一定厚度的灰渣保护层，既延长耐火砖的使用寿命又不堵塞渣口。

3.3 气化炉操作弹性

由于煤形成的条件不同，即使同一地区出产的原料煤，其性质也不是完全相同的，这样一来，在确定气化用煤最佳操作温度时要有一定的弹性，从而提高气化炉抗风险的能力。

我公司以实验室数据为基础，在长期的实际生产中得到较为实用的经验数据是：灰渣的粘度与气化炉操作温度呈负相关，即温度越高灰渣的粘度越小，对于多喷嘴水煤浆气化炉 （液态排渣）而言，可操作温度最大控制范围应满足灰渣粘度在3～25Pa·s内，温度区间越大，气化炉的可操作范围越宽。我公司在保证气化炉能够顺利排渣的情况下，选择气化炉操作弹性区间为T3-T25≥30℃。灰渣的粘温特性是确定液态排渣气化炉操作温度的重要参数，但需要补充一点的是，煤的灰熔点低，不一定其粘温特性曲线就好；此外，通常而言的气化炉正常操作温度一般高于煤灰熔点50～100℃的说法也是不准确的。以下以我公司气化炉所用原料煤M1和M2为例进行说明。

我公司所用原料煤M1和M2的煤质分析数据见表1。

表1 原料煤M1和M2的煤质分析数据

我公司M1煤的粘温特性曲线如图2所示，其灰熔融性温度 （FT）是1120℃，按照气化炉正常操作温度一般高于煤灰熔点50～100℃的说法，M1煤的操作温度应该为1170～1220℃；但由图2可清楚地看出，此温度区间对应的灰渣粘度远远大于25Pa·s，堵渣是必然的。M1煤T25对应的温度为1236℃，T3对应的温度为1262℃，可以计算得到M1煤的气化操作温度上限为1292℃ （T3+T损＝1262+30＝1292℃），操作温度下限为1266℃ （T25+T损＝1236+30＝1266℃），操作区间仅26℃ （不足30℃），即M1煤气化温度调整区间较小，操作难度较大。

我公司M2煤的粘温特性曲线如图3所示，其灰熔融性温度 （FT）是1150℃，按照气化炉正常操作温度一般高于煤灰熔点50～100℃的说法，M2煤的操作温度应该为1200～1250℃；但由图3可清楚地看出，M2煤T25对应的温度为1280℃，T3对应的温度为1409℃，可以计算得到M2煤的气化操作温度上限为1439℃ （T3+T损＝1409+30＝1439℃），操作温度下限为1310℃ （T25+T损＝1280+30＝1310℃）。但考虑到T3较高，已超过1400℃，故取M2煤的气化操作温度上限为1360℃，操作温度下限为1310℃，此时操作区间约50℃，即M2煤比较适合于水煤浆气化炉液态排渣，操作弹性较大。

图2 M1煤的粘温特性曲线

图3 M2煤的粘温特性曲线

4 结束语

兖矿新疆煤化工有限公司据新疆煤的煤质特性，结合实际运行经验，剖析堵渣原因，认为气化炉堵渣与否与灰渣粘度有直接的关系，故以煤灰粘温特性作为原料煤选煤依据和气化炉操作温度指征，同时考虑煤的灰熔点、灰分、挥发分、内水含量等指标及其成浆性，逐渐摸索出适合多喷嘴水煤浆气化炉的煤种及配煤比例，严格把控原料煤煤质，合理确定气化炉操作温度及操作弹性范围，并优化气化装置及后系统操作，实现了整个生产系统的稳定、高效、长周期运行。