SYCTC-1项目水煤浆气化原料煤存在问题分析及解决措施

摘要：不同煤质灰的粘温特性往往决定了水煤浆气化炉是否正常运行，为了研究西湾2-2煤和大保当煤是否可以作为SYCTC-1项目气化炉的原料煤，通过酸碱比计算数据、粘温特性分析及气化炉试烧，发现西湾矿2-2煤、大保当矿2-2煤粘温特性差不适合水煤浆气化，大保当矿3-1煤、4-3煤、5-3煤、5-4煤满足气化用煤要求;对于粘温特性和酸碱比不合适的煤，提出了解决措施：西湾2-2煤掺配10%榆家梁4-3煤，大保当2-2煤配大保当4-4煤掺配比例约为20%，煤灰的粘温特性好，气化炉操作窗口大大增宽，有利于气化炉的稳定运行。

关键词：水煤浆;堵渣;原料煤;粘温特性;措施

中图分类号：TQ534  文献标识码：B

1 前言

神华榆林循环经济煤炭综合利用项目（简称“CTC”项目），发挥神华煤化工项目规模化、一体化、基地化布局优势，拟先期建设神华榆林循环经济煤炭综合利用项目第一阶段（简称SYCTC-1项目）180万吨/年煤制甲醇联产40万吨/年乙二醇。由空分、煤气化、变换、酸性气体脱除、甲醇合成、硫磺回收和乙二醇等工艺装置和配套的公用工程、辅助设施组成。其中公用工程、辅助设施和甲醇下游加工项目紧密结合，两个项目在生产管理上合为一体。

SYCTC-1项目煤气化工艺选用GE水煤浆气化工艺，气化炉采用51 m³大尺寸激冷气化炉，燃烧室直径3.8米，激冷室直径4.6米，五台炉，三开两备，单台炉日投干煤煤量3000吨，采用6.5 MPa（G）的气化压力、湿法制水煤浆、激冷流程、采用四级闪蒸来处理气化黑水。为甲醇装置和乙二醇装置提供原料气，有效气（CO+H₂）产量6.58×10⁵Nm³/h，设计生产1000 Nm³有效气（CO+H₂）原料煤耗（干基）不超过599 kg，纯氧气消耗不超过393 Nm³。

SYCTC-1项目气化原料煤选用陕西省陕北侏罗纪煤田榆神矿区当地大保当、西湾煤，由于大保当煤开采时间稍晚，开采前过渡期使用西湾煤。在装置建设开车前，不同煤种对气化炉的正常运行影响至关重要。

2 水煤浆气化对原料煤的要求及影响因素

作为水煤浆加压气流床气化的原料煤，直接影响着气化性能、以及气化装置运行的稳定性。对于气化用原料煤的影响因素非常多，主要有煤的灰分含量、煤渣的熔融特性、煤灰的粘温特性、挥发分、内水含量等。

煤的灰分增加，氧耗和煤耗均增加，烧嘴和耐火砖的磨损加剧，寿命缩短，气化黑水和灰水中固含量升高，管线、阀门及设备磨损增加。

灰渣的粘温特性决定气化炉的操作温度，并影响耐火砖的寿命、排渣及气化黑水和灰水中的固含量等。若粘温特性较差，液态渣在流动过程中，随温度降低，粘度上升，流动性减慢，从而形成挂渣，堵塞渣口。较快的气流速度容易将液态灰渣拉成玻璃丝状，给停工检修带来较大困难^[1-4]。

3 气化原料煤存在问题及分析

3.1 气化原料煤存在问题

在神木化工一期日投煤1000吨气化装置（单炉日处理煤量500吨）试烧西湾煤10日，来检测西湾煤的气化效果。由于试烧期间西湾煤煤质波动大、粘温特性差，即使在操作温度偏高的情况下，2#、3#气化炉渣口仍频繁堵塞，渣口压差由正常0.01 MPa～0.02 MPa上升到0.07 MPa，最大达到0.1 MPa。合成气组成受渣口压差影响波动较大，CO含量由44%上升到51.5%，CO₂含量由19%降到16%。气化炉排渣出现大块渣并有拉丝现象，锁斗收渣不畅。

为了降低渣口压差和顺利排渣，需提高气化炉的操作温度，将氧煤比由510左右提高到545左右，炉温由1300℃逐渐提高，甚至超过1400℃。对气化炉进行多次降負荷调整操作后，这种现象仍未得到缓解。

为了缓解气化炉渣口频繁堵塞现象，将西湾煤和锦界煤按1：1配比进行配煤掺烧，掺烧锦界煤后，气化炉渣口堵塞现象未出现明显的好转。随后气化炉用煤全部切换为锦界煤，3#气化炉基本恢复正常，2#炉一直未恢复正常，气化炉停车检修。

3.2 主要原因分析

试烧西湾2-2煤前，神木化工气化装置一直使用锦界3-1煤，气化炉的运行状况良好。试烧西湾2-2煤期间出现上述现象导致气化炉无法正常运行，主要原因是西湾2-2煤的粘温特性较差导致的。西湾2-2煤粘温特性曲线见图1。

气化炉正常运行时对于熔渣粘度有一定的要求，一般为25 Pa·s左右。由图1可以看出，在较低的气化温度时，西湾2-2煤的粘温特性曲线较陡，在稍高的气化温度后，西湾2-2煤的粘温特性曲线才变得缓和。西湾2-2煤熔渣粘度10～50 Pa·s对应的温度范围为1180～1192℃，温度差只有12℃，操作范围比较窄，气化炉膛温度发生小的梯度变化，将使熔渣的粘度急剧变化，导致渣口收缩，引起渣口压差上涨现象。当熔渣流动到渣口下方时，温度会稍有下降，熔渣流动性急剧下降，导致熔渣堵塞渣口下方或下降管。严重影响到气化炉的正常运行，烧坏下降管、激冷环并造成堵塞，损坏设备，大大提高了生产操作难度和运行风险。而且这种现象是通过操作不可恢复的，只能通过停车检修以消除。

对于煤灰而言，其温度越高粘度越低，灰渣的流动性就越好。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 ℃，灰渣熔融流动性较好，渣口处下渣顺畅^[3]。气化炉是否堵渣与灰渣的粘温特性有直接关系，若能将粘温特性控制在一定范围内，使得熔渣具有较好的流动性，就能实现气化炉不堵渣长周期运行。

锦界3-1煤粘温特性曲线见图2。由图1和图2可以看出，锦界3-1煤的粘温曲线相对于西湾2-2煤来说，就较平缓。锦界3-1煤的熔渣粘度在10～50 Pa·s时对应的气化温度范围为1230～1290℃，温度差达到60℃，气化炉温度的操作窗口相对较宽，气化炉运行相对稳定，与神木化工使用锦界煤时气化炉的运行状况良好是吻合的。

煤灰的粘温特性与煤灰组成有关，每种组分的比例对粘温特性的影响是不同的。为了表示煤灰组成对粘温特性的影响程度，粗略判断反应灰渣粘温特性的趋势，用煤灰组成中酸性组分与碱性组分的比值来表示。不同煤种的煤灰组成见表1。

从表1可以看出，西湾2-2煤、锦界3-1煤、榆树湾2-2煤的煤质分析可看出，西湾2-2煤的煤质与榆树湾2-2煤比较接近;西湾2-2煤的煤灰酸碱比为0.92，榆树湾2-2煤的煤灰酸碱比只有0.77，锦界3-1煤的煤灰酸碱比为3.72。西湾2-2煤的煤灰酸碱比与榆树湾2-2煤接近，而锦界3-1煤呈现较高的煤灰酸碱比，这主要是因为锦界3-1煤的煤灰中酸性物质氧化硅和氧化铝含量高，而碱性物质氧化铁和氧化钙含量较少导致的。

榆树湾2-2煤，煤灰酸碱比只有0.77，某公司开车初期气化炉渣口频繁堵塞，下降管、激冷环频繁烧毁，装置长时间无法正常运行。经过煤质分析研究发现煤的粘温特性存在问题，经过配沙改善煤灰酸碱比到1.4左右，改善粘温特性后气化炉才实现正常运行。

榆树湾矿、西湾矿、大保当矿处于相邻位置，属陕西省陕北侏罗纪煤田榆神矿区，榆神矿区构造简单，主要可采煤层稳定，以长焰煤和不粘煤为主;有2-2、3-1、4-3、5-3等煤层可开采。2-2、3-1、4-3、5-3煤层稳定，为全区可采煤层，且2-2煤层为全区可采煤层中厚度最大的煤层，平均厚度8～11.14 m。

结合表1，榆树湾2-2煤和西湾2-2、大保当2-2煤工业分析、元素分析、煤灰组成等都非常接近，煤灰酸碱比都偏小，所以这几种煤都会存在粘温特性较差的问题。

因此，若使用西湾2-2煤、大保当2-2煤作为气化原料煤时，需要通过调整煤灰组成以改善煤灰的渣粘温特性，使气化炉操作窗口的温度范围增宽到合理区间。

4 不同煤質的解决措施

4.1 西湾煤的解决措施

针对西湾2-2煤，考虑通过用不同煤质的煤相掺配的措施来改善煤灰的粘温特性。根据经验粗略判断煤灰的酸碱比目标值控制在1.5左右比较合理。由于锅炉燃料煤使用锦界3-1煤，如用锦界3-1煤掺配便于操作和管理。经计算西湾煤配锦界煤掺配比例为30%时，灰分8.4%，酸碱比1.63，方案比较合理，年需掺配锦界煤100万吨左右。由于锦界煤灰分较低（约12%），掺配比例大，受运输条件和煤矿供应的限制，这种掺配比实际是不可行的。

若想降低掺配锦界3-1煤的比例、减少运输量，需要寻找周边高灰分、高酸碱比的煤作为掺配煤种。为此，对周边榆家梁煤矿、保德矿等5个矿井煤质情况进行了现场调查和煤质化验结分析。本着就近原则，经煤质化验分析，认为榆家梁矿4-3煤比较合适。

榆家梁矿4-3煤质分析数据见表3。从表3可以看出，榆家梁矿4-3煤灰分为28.23%，酸碱比为5.13，满足高灰分、高酸碱比的要求。

西湾2-2煤与榆家梁4-3煤掺配表见表4。从表4中可以看出，西湾2-2煤掺配榆家梁4-3煤比例为10%时，灰分8.7%，酸碱比1.49，这种掺配方案比较合理，年需掺配榆家梁4-3煤33万吨左右。

由于煤灰酸碱比差异很大，且每种煤灰组分对粘温特性的影响都不同。所以，在确定大致的掺烧比例后还需进行实验室分析验证，根据实际粘温特性曲线，最终确定掺配比例。由图3知西湾2-2煤掺配10%榆家梁4-3煤粘温特性分析，熔渣粘度10～50Pa·s时对应的温度差值约为100℃，气化炉操作窗口较宽，有利于气化炉的稳定运行。

4.2 大保当煤的解决措施

大保当各煤层灰渣组成平均数据见表5。由表5灰渣组成得数据中，可以大致判断3-1煤层、4-3煤层、5-3煤层、5-4煤层可以满足气化要求，少数区域煤层的煤需要配煤，如大保当2-2煤和4-4煤。

大保当2-2煤层酸碱比为1.0，比气化炉正常操作时的酸碱比较小，且粘温特性差，而大保当4-4煤酸碱比9.6，则较高，而灰熔点高不利于气化。为了达到气化炉正常运行所需要的煤质要求，可将2-2煤与4-4煤掺配互补。当大保当2-2煤配大保当4-4煤掺配比例约为20%时，灰分为8.08%，酸碱比为1.59，这种掺配方案比较合理，年需掺配大保当4-4煤约66万吨左右。

5 结论

为了研究西湾2-2煤和大保当煤是否可以作为SYCTC-1项目气化炉的原料煤，通过在神木化工气化炉上试烧，发现两种煤质差别较大，而不同煤质灰渣的粘温特性往往决定了气化炉是否正常运行，通过试烧，给出了西湾2-2煤和大保当煤的解决措施，并得出结论如下：

（1）从西湾2-2煤质分析和神木化工的试烧情况看，西湾煤煤质波动较大，煤灰分偏低、煤灰酸碱比偏低、粘温特性差、操作温度窗口过窄，气化炉不能正常运行。要实现气化炉正常运行，可以采取配煤的措施，适当提高灰分、提高酸碱比、改善粘温特性、增宽操作温度窗口。西湾2-2煤掺配10%榆家梁4-3煤方案较为合理，煤灰的粘温特性好，熔渣粘度10-50Pa·s之间对应的温度差值从掺配前12℃提高到100℃，气化炉操作窗口大大增宽，有利于气化炉的稳定运行。而配煤设施在设计时留有余量，按20%的气化用煤量进行设计。

（2）大保当矿3-1煤层、4-3煤层、5-3煤层、5-4煤层满足气化用煤要求，大保当2-2煤配大保当4-4煤掺配比例约为20%，可满足气化用煤要求。

（3）使用西湾2-2煤作为气化原料煤，需要解决掺配煤种的煤源问题。在大保当煤矿能够正常供应原料煤前，气化原料煤采用西湾2-2煤与榆家梁4-3煤掺配的方式来供煤。

参考文献

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作者简介：冯长志，男，1980年出生，陕西渭南人，毕业于西安科技大学，本科，工程师，从事煤化工技术管理工作。

（作者单位：神华榆林能源化工有限公司）