五环气化炉两元配煤研究及应用

张家超

(河南龙宇煤化工有限公司， 河南永城 476600)

中国五环工程有限公司与河南能源有限公司(简称河南能源)合作开发了具有国内自主知识产权的新型五环炉(WHG)煤气化工艺，其煤气化装置——五环气化炉在河南能源下属的永城园区投产。WHG干煤粉气化技术的原料为干煤粉，采用气流床加压气化、液态排渣、湿法洗涤，具有适用原料煤种范围广、碳转化率高、氧耗低、粗煤气中富含大量水汽等优点[1]。永城园区地处中国六大无烟煤基地之一的永城矿区，煤炭资源丰富。五环气化炉虽然煤种适应性广，但是在生产的过程中经常因煤种的原因造成激冷段积灰、排渣系统堵渣、气化炉内件烧坏等现象。由于永城本地煤灰分质量分数高、灰熔点高，因此五环气化炉无法单一使用永城本地煤；
从煤种使用成本及供应稳定性方面考虑，需要采用配煤的方式来解决这些问题。

该煤气化装置单台五环气化炉的生产能力为6.9万m3/h(以CO+H2计)，主要生产原料为煤和O2，其中煤来自原料煤贮运系统，O2来自空分装置。五环气化炉的主要技术特点为：

(1) 采用干煤粉进料，加压N2/CO2输送，连续性好，气化炉操作稳定，原料煤种范围广；
但是要求尽可能保证进料煤质的稳定性。

(2) 气化温度为1 400～1 600 ℃,碳转化率高达99%以上，产品气体洁净，煤气(干气)中有效气体(CO+H2)体积分数达到90%左右。

(3) 氧耗低。与水煤浆气化相比，WHG煤气化的氧耗低15%～25%，配套的空分装置投资少。

(4) 气化炉采用水冷壁结构，无耐火砖衬里，维护量较少。反应室内表面设有销钉和耐火材料，运行时以渣抗渣，保护气化炉内件。

(5) 在输气管出口设置激冷罐，采用水浴，取消壳牌煤气化中合成气冷却器、干法除尘和回收系统，用循环灰水激冷，对粗煤气进行降温和除尘，大幅度降低了工程投资[2]。

(6) 黑水处理采用三级闪蒸流程，灰水经过闪蒸浓缩、絮凝沉降后循环利用，循环灰水在减湿器内和中压闪蒸汽直接换热，提高了运行可靠性。中压闪蒸汽去除氧器作为热力除氧的热源，提高了能量利用率。

煤质的稳定性，以及WHG煤气化工艺对煤质的要求，是五环气化炉长周期稳定运行的关键。从五环气化炉运行以来的记录数据分析，非计划停车中超过一半以上与煤质有关。煤质对五环气化炉工况的影响，包括水分质量分数、灰分质量分数、灰熔点、固定碳质量分数、挥发分质量分数等，突出表现在原料煤灰分质量分数和灰熔点方面[3-4]。

灰分质量分数过高将造成渣水系统和灰水处理系统负荷高，燃烧状态的波动会造成五环气化炉合成气激冷段积灰、湿洗塔塔盘结垢、激冷罐积泥及其排放水管线结垢或堵塞等一系列问题。装置运行一段时间后，系统压差增加导致气化炉操作压力偏高，影响气化炉的长周期高负荷运行。为延缓塔盘结垢，需要增加新鲜工艺水的补充量，造成五环气化炉水耗增加，分散剂和絮凝剂等辅材用量也相应增加，增加了后期运行维护成本。

灰熔点过高或者过低，气化温度超出了五环气化炉的操作窗口，造成气化炉炉温波动，导致气化炉内件烧坏或出现堵渣的情况。高挥发分质量分数的煤易发生自燃，为了存储安全，要求挥发分质量分数在30%以内。五环气化炉的有效气产量与煤的固定碳质量分数有关，一般固定碳质量分数越高，有效气产量越大。为了提高五环气化炉的有效气产量，要求固定碳质量分数在50%以上或者收到基低位发热量大于23 027.4 J/g。

以永城本地A煤矿的煤作为五环气化炉的本地煤源。A煤的分析质量指标见表1。五环气化炉选用本地煤的质量指标要求见表2。

表1 A煤的分析质量指标

表2 永城本地煤选用的质量指标标准

考虑到2种煤的气化温度相差较大易造成气化反应后移的情况，选用外地煤时尽量选用与本地煤气化温度相差不超过150 K，即煤阶相近的煤种。本地煤与外地煤配煤时，两者只是简单的物理过程，两种煤各自的性质并没有发生改变，但是气化反应后的渣组分发生了变化。一般要求渣的黏度在5～25 Pa·s。渣的黏度过小，气化炉内壁不容易挂渣，或者出现垮渣，易造成气化炉内件损坏;渣的黏度过大，形成的渣块大，易造成排渣系统堵渣，导致气化炉停车。

鉴于本地煤的灰分质量分数和灰熔点偏高，选用外地煤时尽量选用灰分质量分数和灰熔点相对低的煤种。

经过多次对山西和陕西煤矿进行考察后，选用陕西彬县煤作为配煤的首选。

两元配煤后根据硅铝比添加一定比例的石灰石作为助熔剂来调整配比后煤的灰熔点。一般硅铝比越高，需要添加的石灰石越多。本地煤选用A煤，外地煤选用彬县煤，按照A煤和彬县煤质量比为1∶1，添加2%(质量分数，下同)石灰石，进行两元配煤，配煤分析数据见表3。若配煤比例不合适，调整比例后在实验室进行新配比煤样分析，根据分析的结果判定五环气化炉是否可以试烧。

表3 A煤与彬县煤配煤分析数据

两元配煤后，五环气化炉在操作时炉温控制比较平稳，排渣比较顺畅，渣水系统含固质量分数控制在1.5%以下。经过一段时间的试烧未出现激冷段积灰、气化炉内件烧坏、渣水系统堵渣等情况。采用以上方法，逐渐探索合适的外地煤，经过多次配比研究和五环气化炉试烧，确定了外地煤种的选用指标要求(见表4)。

表4 外地煤选用指标标准

配煤中出现的主要问题是原煤煤质不稳或者掺配不均，造成原煤的黏温特性变化较大，导致操作难度较大，氧煤比调整幅度较大，炉温不稳定，出现挂渣不均、烧嘴罩泄漏等问题。从五环气化炉的运行检修情况来看，主要表现为煤种的不稳定造成的激冷罐积泥和下降管积灰问题。

一方面，通过宏观调控的手段保证外地煤的稳定，并在内部管理上加强精准配煤以尽可能达到入炉煤质的相对稳定；
另一方面，煤的质量直接影响到灰水水质和灰水系统运行的稳定。工艺调整中，操作员根据气化炉的负荷及时地调整循环灰水量，通过优化药剂配方和添加量来保证水质的正常，尽可能延缓管线和设备的结垢。2020年，单台五环气化炉运行周期进一步延长，达到了A级运行288 d的良好成绩。

(1) 通过两元配煤的研究解决了五环气化炉的用煤问题，保证了五环气化炉的操作稳定。使用合适的两元配煤后五环气化炉未出现激冷段积灰、烧坏内件的情况。

(2) 通过两元配煤降低了单一使用外地煤的成本，降低了生产成本，提高了经济效益。

(3) 通过两元配煤的研究确定了外地煤的选用指标，为选用外地煤提供基础参数。

(4) 两元配煤的成功为下一步研究多元配煤奠定了基础，可以进一步改善五环气化炉激冷罐积泥情况，实现五环气化炉长周期、高负荷安全稳定运行的目标。