气化煤质与甲醇装置稳产高产的研究

何圣龙

(陕西长青能源化工有限公司， 陕西宝鸡 721405)

陕西长青能源化工有限公司是由徐矿集团、陕西省煤田地质集团有限公司、宝钢金属有限公司及南京诚志清洁能源有限公司共同参股组建的大型现代煤化工企业。公司150万 t/a 煤制甲醇项目中，规划一期产能为60万 t/a，产品品质为优等品。其中气化装置采用德士古(GE)气化工艺，分为煤浆制备、气化工艺及渣水处理3个阶段，生产运行模式为2开1备，单炉投煤量为1 700 t/d[1]。自2013年5月投产至2017年以来，精甲醇产量保持在70万 t/a。对生产运行情况分析发现，气化装置受限于煤质质量，一直存在着设备磨损严重、检修频繁、氧耗和煤耗高及管道泄漏等问题。为此，公司采取优化煤质、技术改造及精细管理等举措，得到良好效果。精甲醇年产量持续稳步攀升，2019年突破纪录，达到了81.5万 t/a。

1 存在问题

GE气化工艺的煤质要求指标为：发热量≥25 MJ/kg、灰分质量分数≤15%[2]、全水质量分数≤14%、内水质量分数≤5%、灰熔点<1 300 ℃。2013—2016年，受限于煤质质量的影响，公司气化煤煤质指标为：灰分质量分数>14%、灰熔点为1 270～1 350 ℃、发热量为23～24 MJ/kg。煤质不符合工艺指标，使得气化工艺频繁出现一系列问题，导致气化炉运行周期为50～55 d。

1.1 锥底砖磨蚀

当煤炭灰熔点升高时，气化炉炉膛操作温度随之升高，高温环境下的液态渣流动时将加剧磨蚀、冲蚀耐火砖和锥底砖，导致气化炉使用寿命达不到设计指标，增大了设备运行安全风险。

1.2 下降管超温

锥底砖磨蚀损坏，液态渣在下降管内壁易形成挂渣，造成下降管超温，降低了设备的自我保护能力，从而缩短锥底砖使用寿命，增加检修频次。

1.3 氧耗和煤耗高

当煤炭灰分含量和灰熔点高时，为保证液态渣的正常流动，需要提高煤炭和氧气的投入量。如此，一方面会造成吨甲醇氧耗和煤耗升高，增加生产成本；另一方面降低了有效工艺气流量，使得气化反应效率降低。

1.4 设备磨蚀损坏和管道冲蚀泄漏

当煤炭投入量一定时，煤炭灰分含量升高，气化燃烧产生的粗渣逐渐变多，造成捞渣机超负荷运行，运行后期刮板和链条磨损严重，易导致捞渣机故障率升高。此外，灰水和黑水中的固含量升高，高速流动的液体会对管道和阀门造成冲蚀。其中，黑水角阀泄漏较为频繁，处理该问题需要减负荷或泄压停车，会严重影响气化工艺运行的稳定性。

2 原因分析

2.1 煤炭灰分

灰分是指煤在一定温度下完全燃烧后生成的残留物，属于无用物质。分析发现，当煤炭灰分质量分数变大时，必须提高气化炉温度至煤炭灰熔点以上，才能保证液态渣的稳定流动。为保持足够的反应温度，必须增加氧耗和煤耗，使得部分碳完全燃烧生成二氧化碳，导致合成气(CO+H2)减少，降低了气化反应效率。研究表明[3]：气化反应条件一定时，煤炭灰分质量分数每增加1%，氧耗和煤耗分别增加0.7%～0.8%和1.3%～1.5%。此外，当煤炭灰分质量分数变高时，渣水处理过程中产生的废水固含量变大，加大了烧嘴和耐火砖的冲蚀和磨蚀，易造成管道损坏和泄漏，缩短了设备的使用寿命，严重影响了气化工艺的稳定运行。

2.2 煤炭水分

煤炭水分分为游离水和化合水。游离水对气化工艺几乎无影响，但会增加运输成本；化合水在煤中以化学形式存在，主要影响水煤浆的性能。当化合水增大时，水煤浆流动性降低，但是煤浆泵要求水煤浆具有低黏度特性，所以只能降低水煤浆浓度。降低水煤浆浓度会对气化工艺产生三方面影响：(1) 水煤浆浓度低，气化燃烧蒸发水分的热量增加，增大了煤耗和氧耗，降低了气化效率；(2) 水煤浆流量一定时，其浓度越低，燃烧反应生成的有效工艺气成分越少，可降低生产系统负荷；(3) 工业生产中主要采取投入添加剂的方式来增大水煤浆浓度，当水煤浆浓度越低时，需要投入添加剂的量越大，导致生产成本增加。

2.3 煤炭灰熔点

GE气化工艺采用液态排渣方式，当气化炉温度比灰熔点高30～50 ℃时，有利于提高排渣和碳转化率。研究表明：随着煤灰熔点的增加，气化炉操作温度升高，这不仅会加剧液态渣对耐火砖的冲刷性，降低其使用寿命，而且会增加氧耗和煤耗。研究发现[4]:气化炉操作温度每升高50℃，耐火砖冲蚀速率将提高1倍。因此，气化反应燃烧必须选用灰熔点较低的煤种，以延长设备的使用寿命。

2.4 煤灰黏度

黏度是衡量流体流动特性的主要指标，气化炉内的液态渣主要以熔融形态排出。当灰渣黏度增大时，液体流动性降低，不利于排渣；当灰渣黏度减小时，会加剧其对耐火砖的冲蚀性。研究表明[5]:气化炉操作温度下灰渣黏度为20～30 Pa·S时最佳，不仅有利于耐火砖表面形成挂渣以对耐火砖起到保护作用，而且有利于灰渣的排出。

2.5 煤炭挥发分

煤炭挥发分是指煤加热反应后产生的挥发有机物及其分解产物，是衡量煤变质的重要指标。当煤炭挥发分越高时，煤化程度越低，表明煤质年代越短，反应性越好，有利于气化反应。

3 解决措施及效果

基于上述研究表明，煤炭的灰分和灰熔点对气化工艺影响较大，主要涉及生产运行的稳定性和精甲醇产品品质。基于此，对生产数据进行比较和分析，采取优化煤质、技术改造及细化管理等措施，保障气化装置的安全稳定运行，进一步提高甲醇产量。

2017年至今，气化煤控制煤质指标为：发热量≥25 MJ/kg、灰分质量分数<12%、内水质量分数<5%、固定碳质量分数>55%、灰熔点为1 230 ℃。具体措施为：(1) 煤质如满足控制指标，则采购全水低、挥发分高、有害物质低及可磨指数高的煤炭，便于提高气化反应效率；(2) 进厂煤炭全部采用人工和机器随机采样分析对比方式，全程跟踪监控，合理配比气化煤质，气化煤质合格率从34%提高至93%，最高可达99.37%；(3) 利用校企合作平台，通过技术改造，优化煤浆添加剂比例，使得水煤浆质量浓度从58.5%提高至63.5%。

3.1 煤质对生产稳定运行的影响

2017—2019年，气化煤发热量不断增加，灰分和灰熔点逐渐降低，不同年份下煤质的特性参数见表1。

表1 气化煤质特性参数表

随着煤质不断变好，气化工艺生产系统逐渐趋于稳定，生产效率不断提高，具体表现为：(1) 气化炉耐火砖使用寿命由11 000 h提高至14 000 h，可能因为液态渣中铬质量浓度从182 μg/g降低至113 μg/g，使得炉渣对耐火砖的冲蚀性降低，从而延长了耐火砖的使用寿命；(2) 煤灰分降低，减小了炉渣对管道、烧嘴及阀门等装置的磨损，烧嘴使用寿命由50 d提高至77 d，从而降低了设备故障率和设备检修频率，实现了生产工艺的长周期稳定运行；(3) 气化燃烧反应生产的合成气(CO+H2)的质量分数由78.5%～79%提高至80%～81.5%，甲醇产量增加了60 t/d，提高了生产效益。

3.2 煤质对甲醇产量及原料消耗的影响

煤炭灰分对粗甲醇日产量的影响见图1，煤炭灰分对吨甲醇氧耗和煤耗的影响见图2。

图1 煤炭灰分对粗甲醇日产量的影响

图2 煤炭灰分对吨甲醇氧耗和煤耗的影响

结合图1和图2发现：在2016—2019年期间，随着煤中灰分质量分数的减小，粗甲醇日产量逐渐增大，从2100 t增加至2 400 t；此外，随着煤灰分的减小，吨甲醇耗氧和煤耗量逐渐降低，分别减小了102 m3/t和0.13 t/t，节约了生产成本。结果表明：公司采用优质气化煤，不仅提高了甲醇日产量，同时也节约了原材料消耗；此外，设备故障率降低，气化工艺生产长周期稳定运行由50 d增加至110 d，最长可达126 d。因此，气化优质煤对煤制甲醇工艺的稳产、高产起着决定性作用。

4 结语

通过探究气化煤质对煤制甲醇气化炉的影响，研究了煤的灰分、水分、灰熔点、黏度以及挥发分等特性对生产设备的影响，采取优化煤质、技术改造及细化管理等多方面措施，实现了“增产、降本”的目标，保障了生产系统的长周期稳定运行，对同行业具有一定的指导意义。