航天炉全烧高硫、高灰分、高灰熔点劣质无烟煤的研究

孔丽丽

(山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 天溪煤制油分公司，山西 晋城 048009)

无烟煤一直是优质的煤化工原料，晋煤集团的煤炭资源绝大部分为无烟煤。然而，近年来由于气化技术的创新和发展，无烟煤作为煤化工用煤的优质煤种的优势逐渐被削弱[1]，特别是粉煤气化技术取得的重大进展，使得无烟煤作为化工用煤的市场进一步被压缩。无烟煤由于其机械强度高、变质程度高、反应活性差等特点，在新型煤气化领域与其他煤种的竞争中处于劣势。晋煤集团天溪煤制油分公司(简称天溪公司)航天炉全烧高硫、高灰分、高灰熔点(“三高”)劣质无烟煤研究项目就是为晋煤集团无烟煤煤种在新型煤气化领域的应用开辟一条道路。

晋煤集团拥有丰富的煤炭资源，是我国主要的优质无烟煤生产基地。但是经过六十多年的开采，一些矿区的优质无烟煤已近枯竭，余下大部分可采煤种均为“三高”煤。目前，晋城地区“三高”煤可采储量约占总可开采储量的40%。因此，如何合理利用余煤，将劣质煤资源化成为了晋煤集团重要的研究课题。

天溪公司航天炉全烧“三高”劣质无烟煤研究项目依托2013年晋煤集团启动的天溪公司造气工艺技术改造项目，用两台φ3.2 m的航天炉替代天溪公司原有的7 台灰熔聚流化床气化炉。同时，对变换系统、低甲系统、空分系统及公用工程进行相应的配套改造[2-4]。改造后航天炉装置日处理煤量1 600 t，甲醇产量35万t/a，装置年运行周期330 d。该项目于2012年12月开工建设，2014 年8月31日基本完工，9月24日第一台航天炉正式投料试车运行，10月24日第二台航天炉投料运行，甲醇系统开车运行。目前系统已达到设计产能，航天炉系统已实现长周期稳定运行，已自主进行航天炉系统全烧“三高”煤的针对性改造四十余项，进一步提高了装置产能，延长了气化炉的运行周期，降低了装置消耗。

1 航天炉全烧“三高”劣质无烟煤研究项目的优化设计

航天炉全烧“三高”劣质无烟煤研究项目的设计煤种选取晋煤集团凤凰山矿15号无烟煤。该煤种为典型的“三高”无烟煤，属国家环保限采煤种，其典型的特征值见表1。

表1 凤凰山矿15号无烟煤煤质分析数据

航天炉气化技术采用典型的粉煤顶喷，气渣并流，煤气激冷流程，具有新型粉煤气化技术的普遍性[5]。但国内目前在运行的航天炉基本采用褐煤或烟煤作为原料，即使使用无烟煤，也仅仅小比例与褐煤或烟煤进行掺烧。部分企业也进行过全烧无烟煤的试验，但效果均不理想，不能实现稳定运行。

天溪项目的航天炉装置针对“三高”无烟煤的煤质特性，对气化系统进行了以下针对性改造：

(1)优化了粉煤烧嘴的流场和气化炉的长径比，使得物料返混更充分；

(2)扩大了气化炉渣口，以应对“三高”无烟煤较高的灰熔点，保证排渣顺畅；

(3)放大了排渣及灰水系统部分尺寸，以应对“三高”无烟煤较高的灰分；

(4)自主优化改造易磨损泄漏的部位，大大提高了关键设备、管道的运行周期；

(5)对工艺运行参数进行大量针对性的调整，建立数据对比分析系统，生产消耗明显降低。

1.1 初始挂渣

航天炉采用水冷壁结构，采用以渣抗渣的方式保护水冷壁盘管[6]。航天炉初始开车时，为保证水冷壁在裸壁状态下不损坏，均采用灰熔点较低的褐煤进行原始挂渣。天溪航天炉装置在试车投运前，设计院提供的方案及意见也是采用褐煤进行初始挂渣，初始挂渣结束后再转为使用“三高”无烟煤进行生产运行。

针对其他装置的运行工状，并对大量煤种进行了采样，通过煤质分析比对(晋煤集团的内部煤种以及部分褐煤煤种)，分析判断如按设计院的方案进行初始挂渣将在投产运行后面临逐步替换渣层的困难，而且周期比较长，会直接影响到以后天溪航天炉装置的长周期稳定运行。经过多方的数据论证，对其他航天炉装置进行了大量调研，决定采用运行煤种——凤矿高硫末煤进行初始挂渣。由于没有使用无烟煤初始挂渣的运行经验，对各环节进行了充分的事故预想，自行制定了详实的无烟煤初始挂渣方案。

2014年9月24日，天溪装置的航天炉国内首次采用无烟煤进行初始挂渣一次投料挂渣成功。又针对第一台航天炉挂渣密实度不是很理想的状况，对第二台航天炉的初始挂渣方案进行了调整优化，10月24日第二台航天炉采用高硫无烟煤初始挂渣成功。至2020年，两台气化炉已运行近6年，主盘管状况良好，炉膛温度平稳，炉膛打开观测到渣层平滑密实，挂渣状况良好。

1.2 磨煤系统

粉煤加压气化技术均需要微米级的粉煤作为原料，而由于无烟煤机械硬度比较高，磨煤系统的运行压力很高，其余装置在磨无烟煤时粉煤粒径长期不达标。航天炉对粉煤粒径的要求是5～90 μm占比不小于90%。

表2为代表国内已运行的航天炉装置的典型工况的某航天炉装置的煤种及可磨性指数、粒径指标分布关系。

粉煤粒径指标直接影响到入炉粉煤的比表面积，而比表面积的大小又直接决定了气化效率的高低[7]。然而，国内的磨煤系统在磨哈氏可磨性指数较低的无烟煤时指标迅速下降，且磨机故障率较高，出力明显降低。

天溪公司采用的煤种为哈氏可磨性指数仅为42的典型无烟煤(由于“三高”无烟煤较高的灰分，导致其可磨性指数在无烟煤中也是最低的[1]，即最难研磨的煤种)，在运行之初也面临与其他装置的类似问题。经过对运行过程的研究，不断调整运行参数，实现磨煤系统的平稳运行，在保证磨机设计出力的情况下使5～90 μm的粉煤占比稳定至75%以上。

主要的设备改造、运行参数调整如下：

(1)将磨机运行时的磨辊加载力提升至9.0～10.0 MPa；

(2)降低磨机运行时的磨盘床层高度，将磨机压差控制至4～5 kPa；

(3)提升磨机出口旋转分离器转速，控制在设计转的80%以上；

(4)降低磨机运行时的循环风量，风量控制在设计风量的60%；

(5)进一步提升磨机系统运行时的真空度，控制磨煤系统压力在-4～-6 kPa；

(6)保证磨机系统惰性气体的足量排放，运行时惰气排放阀阀位开至100%；

(7)强化石子煤排放的规范管理，不仅保证了石子煤的及时排出，同时还不会因频繁排放破坏磨机系统的运行；

(8)对磨煤机的密封系统进行改造，确保石子煤不对密封组件造成磨损，延长磨机运行周期。

1.3 气化系统

全烧无烟煤时面临的主要问题如下：① 炉膛渣层不稳定，炉膛温度波动大，严重时造成破渣机堵塞而跳车；② 主盘管密度波动大，严重时能降至安全密度(400 kg/m3)以下；③ 渣口压差波动大，严重时造成渣口堵塞；④ 气化反应不稳定，气化炉压力波动大，产气量波动大。

天溪航天炉装置充分吸取其他航天炉装置运行的经验，对大量运行数据进行比对分析，对运行思路进行了如下调整：

(1)确保粉煤的供给灰熔点稳定，保证石灰石的掺配比例，对入炉粉煤的灰熔点进行长期持续检测，以掌握炉况变化的原因；

(2)保证三条粉煤给料管线均匀给料，最大程度地降低物料流场的人为因素影响，保证炉内的流场稳定；

(3)确保炉内反应温度达到灰渣的熔融温度，在设备条件允许的情况下尽可能提升炉内的反应温度，保证排渣顺畅；

天溪航天炉装置在确定的调整思路下，持续对航天炉的运行进行优化。自开车运行以来，炉况优化一直在持续进行，炉况得到了很大改善，实现了装置的平稳高效运行。已基本确定的运行参数：

(1)提升运行氧煤比，逐步将氧煤比提升至0.90～0.95，确保了炉内的反应温度；

(2)严格控制合成气组分中的CH4含量，控制CH4体积分数50～100 μL/L；

(3)保证主盘管运行安全，确定主盘管密度不小于450 kg/m3；

(4)为进一步保证设备安全，将汽包循环水系统总循环量提升至640 m3/h；

(5)严格控制三条煤线均匀给煤，给煤最大量差值必须不大于500 kg/h。

1.4 渣水系统

气化炉的渣水系统为浊环系统，水质的性质直接由运行煤质以及气化反应的程度所决定。天溪项目由于气化反应程度高，灰水指标要整体优于其他装置。由于运行煤种的特殊性，渣水系统一直处于弱酸性，渣水系统运行相对平稳，但由于入炉煤中的灰分很高(是其他运行煤种的2～3倍)，长周期运行受到一定限制。针对以上问题进行了系统优化。

(1)系统水呈弱酸性，pH最低下降至5.5，呈腐蚀倾向，判断为两级闪蒸的闪蒸能力不足所造成。对高闪闪蒸槽进行了改造，扩大了布水板孔眼的孔隙，同时调整高闪内部去真闪回水管在设备内的距离，对影响闪蒸效果的运行指标进行了优化调整，对闪蒸放空系统进行了优化改造。同时，通过在气化炉激冷室内部的排水管线增加汽/水分离装置，减少进入闪蒸系统的煤气夹带量，降低闪蒸系统的负荷。通过改造，增强了两级闪蒸的闪蒸效率，降低了灰水中的酸度，将pH控制在6.5～7.0。

(2)对灰水进行了全面的腐蚀测定、分析，确定了pH控制的目标值为6.5～7.0，经分析，该目标值下的腐蚀率0.21 mm/a。通过与药剂供应商探讨，及时调整弱酸性结垢下分散剂的成分，有效地将腐蚀率控制在0.135 mm/a。通过对pH、腐蚀率的综合调整，开车运行18个月实验结果表明，沉降槽2块碳钢挂片表面无腐蚀结垢现象，挂片重量无明显变化。

(3)为解决渣水系统固体含量高导致部分设备、管道中煤泥堵塞严重的问题，首先通过运行管理调整进行解决。提高了激冷水循环量(提升至设计值的130 %)，对易堵部位建立了完善的运行监控机制，及时通过负荷调整消除堵塞现象。同时，对易磨损部位进行了材料研究，使用新型材料替代原设计的材料。此外，通过与专利提供商的合作，开始着手对渣水系统进行流程的优化设计，从根本上解决渣水系统固体含量高的问题。上述主要措施的实施，大大提高了渣水系统的运行稳定性，基本杜绝了由于渣水系统造成的气化炉停车，提升了气化炉的运行周期。

经过上述技术优化，灰水系统排水量降到远低于设计值。设计值为83 t/h(两台炉运行)，实际外排污水量(系统内其他冷凝液不计入)为60 t/h。

1.5 节能降耗技术创新

天溪公司航天炉装置运行以来，通过一系列的研究，已完成了下列技术创新：

(1)将高闪闪蒸汽(原设计为火炬排放)回收至磨煤系统燃烧。降低了煤层气的使用量，磨煤成本下降1.4 元/t。

(2)将系统伴热冷凝液、汽包排污水回收至渣水系统除氧器，降低了除氧器的蒸汽使用量，减少低压蒸汽使用量2 t/h。

(3)将气化炉副产蒸汽减压回收至装置的低压蒸汽管网(原设计回收至中压蒸汽管网，由于副产蒸汽的饱和度不够，只能现场放空)，降低了低压蒸汽使用量5 t/h。

1.6 环保措施

(1)对装置内的5台粉煤袋式过滤器进行结构改造，同时对粉煤的泄压放空进行相应改造。改造后极大地降低了布袋的损坏率，现场放空粉尘含量明显降低，杜绝了放空气冒黑烟现象。

(2)对湿渣的排放运输进行改造，增设高频脱水筛，捞渣机捞出的湿渣水分从50%降低至15%，极大地改善了现场环境，在湿渣的运输过程中基本没有黑水和灰渣外流，提高了运输过程中的稳定性和清洁性。

2 结果与讨论

天溪全烧“三高”劣质无烟煤的航天炉装置通过运行技术的不断优化调整，在技术稳定性上与国内其他成熟的气流床气化技术相当，装置整体运行稳定，以下运行参数要优于其他装置。

(1)磨煤系统的整体运行状况要优于国内同等规模装置。该系统设备选型、工艺运行参数均对可磨系数很低的无烟煤做了充分准备，粉煤粒径指标在综合考虑可磨性指数的情况下，在国内处于领先水平。

(2)气化系统与国内其他气流床技术相当，自动化程度高，炉况稳定可靠，受“三高”煤特性影响，在氧耗、原煤耗等指标上要高于其他气流床气化装置，但是由于“三高”煤价格低廉，其综合的经济效益仍略优于其他气化装置。主要技术指标对比见表3。

表3 天溪装置与其他航天炉装置的主要技术指标对比

(3)渣水系统的整体运行状况均要优于采用激冷流程的气流床气化装置。从表4中各项水质关键指标的分析对比[8]可以看出，天溪装置的各项水质指标在国内均处于领先水平，而且由于煤质特性所决定的，使得整个渣水系统为弱酸性，通过良好的水质管控，不但使得系统几乎不存在腐蚀现象，而且有效地抑制了系统的结垢速率。

表4 天溪装置与其他航天炉装置的主要水质指标对比

综上所述，天溪公司的航天炉全烧“三高”劣质无烟煤项目取得了很大的技术进步，在国内的气流床气化技术中处于领先水平，具有很好的劣质煤洁净化利用的示范意义。

3 结 语

天溪公司航天炉装置在无烟煤的气化利用上实现了稳定高效运行，在国内的航天炉装置尚属首次，在国内的气流床装置也处于领先水平，而且天溪装置使用“三高”劣质煤，不仅为晋煤集团的无烟煤洁净化利用找到了出路，而且为山西省乃至全国的劣质煤洁净化利用起到了很好的示范作用。

现阶段由于煤炭消费带来的环境污染的压力越来越大[9]，国家对环保的要求也越来越严格，因此煤炭消费必须走洁净化利用的道路。当前的气流床装置多半采用褐煤。褐煤由于其高挥发分和良好的反应活性一直被视为最合适的气流床气化技术煤种，但使用褐煤的气流床气化技术的渣水系统结垢严重[10]，几乎所有装置的外排水量均要高于设计值才能保证系统的正常运行。而无烟煤的煤质特性决定了其渣水系统的水质特征，在日趋严峻的环保形势下，无烟煤能成为替代褐煤作为气流床气化技术煤种的良好选择。