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優(yōu)化原煤配比，提高航天爐裝置運(yùn)行效益

于松芝童維風(fēng)黃保才吳學(xué)仕

(安徽晉煤中能化工股份有限公司安徽臨泉236400)

0 前言

原料煤煤質(zhì)的優(yōu)劣對(duì)其氣化反應(yīng)過(guò)程有著十分重要的影響。航天爐粉煤氣化系統(tǒng)中的粉煤流速高、氣化反應(yīng)速度快、停留時(shí)間短，工藝對(duì)原料煤的粒度、水分含量、特性等要求很高。氣化爐需要一個(gè)穩(wěn)定的渣層，而入爐的煤種更換和煤質(zhì)的頻繁波動(dòng)，難以進(jìn)行預(yù)見(jiàn)性的調(diào)節(jié)，都不利于裝置的安全運(yùn)行。因此，無(wú)論是從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度考慮，還是從安全生產(chǎn)角度考慮，都應(yīng)該探索適合于航天爐粉煤氣化裝置特點(diǎn)的原料煤煤種。

1 航天爐粉煤氣化運(yùn)行現(xiàn)狀

由于煤炭行情的變化以及公司發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)整，使用單一煤種進(jìn)行氣化反應(yīng)不能充分發(fā)揮出航天爐裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)，因而為尋求煤氣化較適宜的煤種及比例，在實(shí)際運(yùn)行中需要對(duì)入爐煤種、比例進(jìn)行頻繁切換，導(dǎo)致氣化爐燃燒流場(chǎng)及水冷壁保護(hù)渣層處于不穩(wěn)定狀態(tài)，主要表現(xiàn)為爐溫波動(dòng)、各項(xiàng)消耗上升。

2013年至2014年，影響安徽晉煤中能化工股份有限公司航天爐系統(tǒng)消耗的主要因素及所占比例：46.0%煤種變化，26.5%設(shè)備原因，7.5%計(jì)劃停車(chē)，6.0%操作失誤，4.0%設(shè)計(jì)缺陷，10.0%其他原因。

由于氣流床氣化爐自身的特點(diǎn)，對(duì)原煤的均質(zhì)化要求較高，而氣化原煤配料工序的設(shè)備、工藝特點(diǎn)決定了難以實(shí)現(xiàn)原料煤配比的精確性與配煤的均質(zhì)化。航天爐粉煤加壓氣化工藝與德士古水煤漿爐、GSP爐有相似之處，但也有其自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，拓寬煤種是實(shí)現(xiàn)航天爐經(jīng)濟(jì)效益最大化的必然趨勢(shì)。根據(jù)原料煤試燒結(jié)果提出優(yōu)化配煤方案并多次進(jìn)行試燒，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化，使原料煤配比方案逐漸趨于完善。

2 影響航天爐裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的原因分析

2.1煤質(zhì)變化過(guò)大，調(diào)整不及時(shí)

航天爐粉煤氣化裝置自投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)，多次出現(xiàn)工況大幅度波動(dòng)甚至停車(chē)事故。究其原因是煤庫(kù)存數(shù)量少、入爐原料煤切換頻繁，給氣化工藝調(diào)整帶來(lái)困難。由于所用原料煤的質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，造成煤耗、氧耗明顯超過(guò)設(shè)計(jì)值，從而影響氣化裝置經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2摻燒煤種及比例調(diào)整頻繁

在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，航天爐使用原料煤種類(lèi)一直在5種以上。由于不同煤種的有關(guān)組分、煤灰熔融溫度、煤灰流動(dòng)特性等不同，每次更換煤種都會(huì)導(dǎo)致氣化爐水冷壁重新?lián)Q渣，而氣化爐每次完成換渣大約需要8 h，甚至更長(zhǎng)時(shí)間，在此期間，工藝波動(dòng)，各項(xiàng)消耗也隨之上升。

2.3原料煤配比不合理

航天爐在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)煤種變化時(shí)，容易造成航天爐渣口堵渣，被迫大幅度降低生產(chǎn)負(fù)荷。由于這些原因，限制了航天爐原料煤適用范圍。因此，很有必要針對(duì)航天爐煤氣化煤種適應(yīng)性進(jìn)行探索，拓寬航天爐適應(yīng)性煤種選擇范圍，對(duì)于保證航天爐粉煤加壓氣化裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.4燒嘴設(shè)計(jì)問(wèn)題

(1)在長(zhǎng)期的運(yùn)行中，燒嘴易出現(xiàn)不同程度的磨損、頭部龜裂，從而影響氣化爐的燃燒流場(chǎng)，致使氣化爐水冷壁掛渣不穩(wěn)定和煤的燃燒不完全。因此，燒嘴還需要進(jìn)一步優(yōu)化、改進(jìn)。

(2)在運(yùn)行中，由于加減負(fù)荷過(guò)快，燒嘴頭部易附著熔渣。氧和煤通過(guò)燒嘴高速?lài)姵?，由于燒嘴頂部附近是爐膛內(nèi)的溫度低點(diǎn)，在爐膛內(nèi)激烈的氣渣返混中易有少量的熔渣附著在燒嘴頂部，導(dǎo)致燒嘴偏流，破壞了氣化爐穩(wěn)定的燃燒流場(chǎng)，造成氣化工況的波動(dòng)。

3 混煤優(yōu)化方案實(shí)施情況

3.1試驗(yàn)分析階段

通過(guò)對(duì)原料煤煤質(zhì)、黏溫特性、煤焦渣指數(shù)的分析，尋找理論支持。

3.1.1灰分對(duì)氣化過(guò)程的影響

原料煤中灰分含量過(guò)低時(shí)，燃燒后形成的渣量較少，導(dǎo)致水冷壁耐火材料上無(wú)法掛渣，只能通過(guò)降低氣化爐的操作溫度維持運(yùn)行；原料煤中灰分含量過(guò)高時(shí)，產(chǎn)生的灰渣不能及時(shí)排出，會(huì)影響灰水處理系統(tǒng)和氣化裝置的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致停車(chē)事件。為了穩(wěn)定航天爐裝置的穩(wěn)定、長(zhǎng)周期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，原料煤中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般應(yīng)控制在10%～15%。

3.1.2灰熔點(diǎn)對(duì)氣化過(guò)程的影響

為保證氣化爐正常液態(tài)排渣，操作溫度一般控制在高于煤灰流動(dòng)溫度50～100 ℃。對(duì)于低灰熔點(diǎn)(<1 300 ℃)的煤(如神木煤)，氣化爐操作溫度可以控制在1 400 ℃左右，同時(shí)也能有效地保護(hù)耐火材料以及水冷壁的安全運(yùn)行，氣化爐操作彈性空間較大。對(duì)于高灰熔點(diǎn)(>1 450 ℃)的煤(如晉城的長(zhǎng)平煤)，操作溫度1 550 ℃對(duì)航天爐耐火材料和水冷盤(pán)管短時(shí)間不會(huì)造成損害，但很難維持長(zhǎng)周期的安全運(yùn)行，很難實(shí)現(xiàn)單獨(dú)試燒。為確保航天爐安全穩(wěn)定運(yùn)行，使用煤種的灰熔點(diǎn)最好<1 450 ℃。

3.1.3揮發(fā)分對(duì)氣化過(guò)程的影響

對(duì)航天爐來(lái)說(shuō)，由于航天爐煤燒嘴采用頂噴式結(jié)構(gòu)，原料煤中揮發(fā)分的燃燒釋放出的大量熱量使燒嘴處在較高的輻射熱中，燒嘴頭部容易出現(xiàn)龜裂、泄漏而影響其使用壽命；原料煤中揮發(fā)分過(guò)高，燃燒后的火焰剛性差，容易造成氣化爐拱頂超溫，影響裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。所以，煤中揮發(fā)分也不宜太高，原料煤揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般要求在30%～36%。

3.1.4焦渣指數(shù)對(duì)氣化過(guò)程的影響

焦渣指數(shù)在1～2類(lèi)的煤，由于其燃燒后幾乎無(wú)黏結(jié)性，在灰水系統(tǒng)中不易產(chǎn)生黏結(jié)，系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，激冷室內(nèi)部不易產(chǎn)生積灰、結(jié)渣現(xiàn)象；焦渣指數(shù)在3～8類(lèi)的煤都具有黏結(jié)性，且類(lèi)別越高黏結(jié)性越強(qiáng)，在灰水系統(tǒng)中越容易積灰、結(jié)渣，造成系統(tǒng)無(wú)法長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。

3.1.5熱值對(duì)氣化過(guò)程的影響

對(duì)于航天爐來(lái)說(shuō)，粉煤從燒嘴噴出與氧氣混合燃燒后，在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間短，高熱值的煤在爐膛得不到充分利用，這就造成系統(tǒng)粗渣、濾餅中殘?zhí)剂可?。使用高熱值煤為原料時(shí)，雖然原料煤消耗會(huì)有所下降，但折算成標(biāo)煤耗后，其消耗會(huì)明顯高于低熱值原料煤。

3.2實(shí)施階段(2013—2014年煤種試燒)

3.2.1不同煤種(主要煤種)的試燒情況

(1)神木煤：灰熔點(diǎn)1 200 ℃左右，固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)58%左右，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%左右，黏溫特性區(qū)間適當(dāng)，掛渣好，有利于氣化爐爐溫控制，滿(mǎn)足氣化爐對(duì)煤種適應(yīng)性的需要。

(2)長(zhǎng)平煤：灰熔點(diǎn)>1 450 ℃，固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)69%左右。將長(zhǎng)平煤與神木煤按合適比例混合后，灰熔點(diǎn)能降至1 350 ℃，符合航天爐用煤要求。煤場(chǎng)的管理也十分重要，應(yīng)確保原料煤根據(jù)性質(zhì)分類(lèi)堆放，不同的煤按不同比例摻燒，盡量避免煤種和摻燒比例的頻繁調(diào)整。

(3)靈通煤：靈通煤(灰熔點(diǎn)>1 250 ℃，固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在56%左右)能與神木煤在相應(yīng)較小比例(靈通煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜超過(guò)35%)下混合摻燒，否則會(huì)出現(xiàn)燃燒不完全，提爐溫時(shí)又不利于掛渣，最終導(dǎo)致煤耗、氧耗高。

(4)黑山煤：航天爐粉煤氣化裝置試燒熱值較高(27 000 kJ/kg左右)的新疆黑山煤后，粗渣、濾餅中殘?zhí)剂棵黠@上升。粗渣中殘?zhí)假|(zhì)量分?jǐn)?shù)由10%升至25%，濾餅中殘?zhí)假|(zhì)量分?jǐn)?shù)也由30%升至45%。

(5)張家峁煤：張家峁煤中含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在59%左右，灰熔點(diǎn)在1 250 ℃左右，但是黏溫特性差，流溫區(qū)間窄，僅34 ℃(一般要求>80 ℃)，掛渣困難，易引起爐溫波動(dòng)、渣口堵塞、煤耗升高。

3.2.2煤質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

2013年和2014年各月混煤水分、揮發(fā)分、灰分對(duì)比以及混煤熱值對(duì)比分別見(jiàn)表1和表2。

3.2.3選擇合適煤種，穩(wěn)定配煤比例

不同煤種配煤比例(質(zhì)量比)及噸氨煤耗如表3所示。

表12013年和2014年各月混煤水分、揮發(fā)分、灰分對(duì)比

%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表22013年和2014年各月混煤熱值對(duì)比

kJ/kg

表3不同煤種配煤比例(質(zhì)量比)及噸氨煤耗

項(xiàng) 目配比(100%計(jì))噸氨煤耗/t神木∶長(zhǎng)平85∶151.350神木∶長(zhǎng)平70∶301.385張家峁∶趙莊65∶351.468神木∶靈通∶黑山60∶25∶151.414神木∶靈通70∶301.357神木∶靈通65∶351.360神木∶靈通50∶501.386神木∶碩林∶靈通60∶15∶251.371神木∶檸條塔∶靈通40∶30∶301.380

3.2.42013年與2014年各月噸氨煤耗對(duì)比

2013年和2014年各月噸氨煤耗(2013年主要煤種為神木、長(zhǎng)平、張家峁、趙莊、靈通、黑山，2014年主要煤種為神木、靈通、碩林、檸條塔)對(duì)比見(jiàn)表4。

3.2.5航天爐裝置其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2013年與2014年航天爐裝置其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

3.3分析總結(jié)階段

通過(guò)對(duì)表1至表5的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后不難看出：2014年的煤質(zhì)和煤種均較2013年的穩(wěn)定，氣化原煤消耗也有明顯下降；2014年各月混煤水分較2013年穩(wěn)定，且2014年全年混煤水分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))較2013年低0.46%；2014年各月混煤灰分較2013年穩(wěn)定，且2014年全年混煤灰分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))較2013年降低3.18%；2014年各月混煤的熱值較為穩(wěn)定，且2014年平均熱值較2013年高271.14 kJ/kg；對(duì)不同煤種的優(yōu)化配比摻燒都會(huì)對(duì)航天爐粉煤氣化裝置噸氨煤耗造成一定影響，不同煤種以及配比(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的噸氨煤耗各不相同，總體來(lái)看，神木(85%)∶長(zhǎng)平(15%)和神木(65%)∶靈通(35%)配比運(yùn)行較為經(jīng)濟(jì)，且實(shí)際運(yùn)行工況更穩(wěn)定，爐溫容易控制，各項(xiàng)指標(biāo)處于較好狀態(tài)； 2014年各月的噸氨煤耗總體穩(wěn)定，且較2013年有明顯下降；隨著煤種的減少和混煤比例的調(diào)整頻次降低，航天爐粉煤氣化裝置運(yùn)行穩(wěn)定性不斷提高，設(shè)備運(yùn)行狀況有所好轉(zhuǎn)，激冷室內(nèi)件少更換1次，激冷室積灰清理減少1次，同時(shí)噸氨煤耗明顯下降。由此可見(jiàn)，優(yōu)化混煤，對(duì)提高航天爐粉煤氣化裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到了積極有力的推動(dòng)作用。

表42013年與2014年各月噸氨煤耗對(duì)比

t

表52013年與2014年航天爐裝置其他數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

項(xiàng) 目2013年2014年原煤種類(lèi)/種115入爐煤比例調(diào)整/次7130停車(chē)次數(shù)/次53激冷室清灰次數(shù)/次10激冷室內(nèi)件更換次數(shù)/次10裝置開(kāi)工率/%95.0796.16噸氨煤耗/t1.4151.390