配煤對(duì)水煤漿氣化爐運(yùn)行的影響

摘 要：我國(guó)具有豐富的煤炭資源，占世界可供利用的儲(chǔ)存總量的11.67%，位列全球第三。同時(shí)，煤炭也是我國(guó)使用最廣泛的能源與原料，煤炭占有率在一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中始終保持著50%以上。因此，配煤作為保證煤炭質(zhì)量，提升利用效率的有效工序，其應(yīng)用與研究始終是相關(guān)從業(yè)人員的重點(diǎn)思考方向。本文首先對(duì)配煤的相關(guān)概述進(jìn)行介紹，之后從水煤漿氣化爐角度出發(fā)，多方面談?wù)撆涿簩?duì)其設(shè)備及運(yùn)行的影響。

關(guān)鍵詞：水煤漿加壓氣化爐;配煤;工藝效果

0 引言

目前，水煤漿在氣化過程中應(yīng)用最多的設(shè)備是水煤漿加壓氣化爐（coal-water slurry pressurized gasifier），其具有煤種適應(yīng)性廣、連續(xù)生產(chǎn)能力強(qiáng)、合成氣質(zhì)優(yōu)良、安全性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。想要充分發(fā)揮水煤漿氣化爐的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于源頭的配煤工序要做出十分嚴(yán)格全面的要求。煤渣的流動(dòng)性、煤質(zhì)的穩(wěn)定性、煤灰的熔煤特性等等，都是在工藝生產(chǎn)及管控中需要重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。

1 配煤理論概述

配煤，顧名思義，是在煤中混入一定的添加物，以起到確保煤炭質(zhì)量，合理高效利用煤炭資源，節(jié)約優(yōu)質(zhì)煉焦煤的作用。混入的煤質(zhì)不一定局限于添加劑類，也包括了其他種類的煤，混合過程中可以是兩兩混合，也可以是多種混合。

早在十九世紀(jì)五十年代，煤炭行業(yè)為解決“粘結(jié)性過?！钡膯栴}，首次將配煤技術(shù)投入實(shí)際應(yīng)用。進(jìn)入二十世紀(jì)，焦煤與強(qiáng)粘結(jié)性煤短缺的問題日益凸顯，從而進(jìn)一步推動(dòng)了配煤技術(shù)的發(fā)展。之后，煤巖學(xué)逐漸與配煤技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)了其科學(xué)研究，科學(xué)發(fā)展的進(jìn)程。

如今，在我國(guó)煤炭資源分布不平衡，部分地區(qū)運(yùn)輸條件受限，煤炭利用效率不高的大環(huán)境下，進(jìn)一步深化配煤技術(shù)的研究與應(yīng)用，具有十分重要的意義：

①可以充分調(diào)節(jié)燃煤過程中硫份、氯、氟等有害氣體的排放，符合環(huán)境保護(hù)的迫切需求;

②針對(duì)我國(guó)煤炭資源分布具有較大的區(qū)域化差異，各地煤炭的灰分、硫分含量有所差別，采用不同的配煤方案實(shí)行煉焦，能切實(shí)煤炭資源的有效利用，滿足行業(yè)需求，緩和供需沖突。

一般來說，可以就配煤過程建立數(shù)學(xué)化模型，形成在一定約束條件下求極值的模式。其中，約束條件中很重要的一環(huán)就是設(shè)備本身對(duì)配煤參數(shù)的限制。

2 配煤對(duì)水煤漿氣化爐運(yùn)行的影響

配煤對(duì)于氣化爐各個(gè)部分都會(huì)產(chǎn)生影響，包括氣化爐耐火磚、氣化爐內(nèi)件、氣化爐燒嘴等等。

2.1 配煤對(duì)氣化爐耐火磚的影響

氣化爐耐火磚具有耐熱性能好，強(qiáng)度高，體積密度小，導(dǎo)熱系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，但是，耐火磚的價(jià)格昂貴，更換維修時(shí)間長(zhǎng)。因此，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，要盡可能延長(zhǎng)耐火磚壽命。在部分企業(yè)變更配煤方案后，常常會(huì)發(fā)生耐火磚表面燒蝕，產(chǎn)生裂縫磨損等缺陷。

在對(duì)耐火磚的燒蝕速率進(jìn)行測(cè)算時(shí)，常常利用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：V燒-燒蝕速率;L1-耐火磚初始厚度;L2-耐火磚終末厚度;T-運(yùn)行時(shí)間。

通過對(duì)比不同燒蝕速率下耐火磚的表面情況，可以看出燒蝕速率高的耐火磚表面具有更多的沖刷磚縫痕跡，這是在爐渣具有過高的流動(dòng)性的情況下所產(chǎn)生的。就配煤指標(biāo)而言，灰渣黏度較低，其流動(dòng)性增強(qiáng)，會(huì)增加水煤漿氣化爐耐火磚的燒蝕速率，減少設(shè)備使用壽命，增加維修更換成本。相反的，當(dāng)煤灰具有較高的黏度時(shí)，其流動(dòng)性也會(huì)相應(yīng)的降低，而這是不利于灰渣以液態(tài)形式排除氣化爐的，長(zhǎng)此以往就會(huì)導(dǎo)致灰渣堆積，堵塞設(shè)備。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究可知，德上古煤氣化爐在實(shí)際操作溫度下，將灰渣黏度控制在25～30Pa·S為佳。

在煤灰的組成中，對(duì)灰渣黏度影響最大的成分是Al2O3與SiO2。煤灰的流動(dòng)性會(huì)隨著Al2O3含量的增多而提升。同時(shí)，SiO2會(huì)使煤灰熔融特性降低，黏度升高。對(duì)此，可以在配煤中添加一定量的CaO，使之與SiO2結(jié)合形成低熔點(diǎn)的硅酸鹽。

2.2 配煤對(duì)水煤漿氣化爐激冷系統(tǒng)的影響

激冷系統(tǒng)是對(duì)燃燒室中水煤漿氣化產(chǎn)生的合成氣與爐渣進(jìn)行水浴冷卻的系統(tǒng)。激冷環(huán)頂部與水管線相連，同時(shí)與下降管上部連通，其具有破泡波紋與平衡孔，便于實(shí)現(xiàn)激冷水沿下降管螺旋流動(dòng)，以保護(hù)管壁。

然而，部分工廠隨著配煤方案的改變經(jīng)常發(fā)生下降管變形的問題。這主要是灰渣熔點(diǎn)增高，流動(dòng)性增強(qiáng)導(dǎo)致渣口沖刷破壞，渣口實(shí)際尺寸變大，高溫爐渣流入激冷環(huán)室中的量增大，下降管中的激冷水無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)爐渣的完全冷卻，導(dǎo)致部分爐渣與管壁相粘結(jié)，最終使下降管受高溫發(fā)生變形。

想要改善此問題，一方面可以在配煤中加入一定量的Fe2O3，使其在爐中發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生FeO，它與爐中的氧化硅等成分結(jié)合所形成的共熔物具有較低的熔點(diǎn)，在爐中更容易發(fā)生軟化，從而有效減少對(duì)渣口的沖擊磨損。另一方面可以就下降管壁做出改變，例如更換耐溫材料更高的不銹鋼材，或?qū)υ泄鼙谶M(jìn)行表面處理，增加其耐熱性能。

2.3 配煤對(duì)水煤漿氣化爐燒嘴運(yùn)行的影響

水煤漿氣化爐燒嘴是利用高壓噴出氧氣，將水煤漿霧化，并在高溫高壓的環(huán)境中進(jìn)行不完全氧化，起到預(yù)混合的作用。部分企業(yè)在變更配煤方法后，出現(xiàn)了燒嘴頭部皸裂，熱應(yīng)力裂縫，管道噴嘴磨損等現(xiàn)象。就配煤方案變更來說，這是由于水煤漿霧化程度不足，燃燒火焰過于靠近燒嘴導(dǎo)致的。

從燒嘴結(jié)構(gòu)考慮，可以調(diào)整中噴與外噴內(nèi)徑，外氧環(huán)隙等參數(shù)，使氧氣發(fā)散程度更高，與水煤漿混合效果更明顯，將火焰黑區(qū)擴(kuò)大，遠(yuǎn)離燒嘴。從配煤角度考慮，可以針對(duì)揮發(fā)分這一配煤參數(shù)進(jìn)行相關(guān)調(diào)整。揮發(fā)分是煤變質(zhì)程度的定量表示，配煤中揮發(fā)分越高，其變質(zhì)程度越高，氧化時(shí)會(huì)形成更長(zhǎng)的火焰。揮發(fā)分與煤的內(nèi)在水分具有一定關(guān)系，當(dāng)煤的揮發(fā)分在25%到45%時(shí)，內(nèi)在水分含量最低。此外，值得注意的是，煤的變質(zhì)程度過高會(huì)導(dǎo)致成漿性能的降低。

3 水煤漿氣化工藝對(duì)配煤的基本要求

我們常用配煤指標(biāo)來表示配煤性質(zhì)的恰當(dāng)性，常見的配煤指標(biāo)包括了揮發(fā)分、粘結(jié)性、結(jié)焦性等等，這與煤中的灰分、硫磷含量等化學(xué)組成是息息相關(guān)的。為了保證水煤漿氣化技術(shù)的高效穩(wěn)定，在進(jìn)行配煤時(shí)一般要遵循以下幾個(gè)原則：

①煤的灰分含量不高于13%。灰分是指煤中的無(wú)用形式成分，在水煤漿氣化爐中，為了保證煤渣能以液態(tài)形式順利排出，就必須使溫度高于灰熔點(diǎn)，這就導(dǎo)致了氧氣消耗與煤耗的增加，也加速了燒火磚的燒蝕速率;②煤的內(nèi)在含水量不高于8%。煤的內(nèi)在含水量越高，水煤漿制成難度也越高，制成后的煤漿濃度也越低;③煤灰的黏度保持在25～40Pa·S。此點(diǎn)的原因上文已有提及，是為了在耐火磚表面形成灰渣保護(hù)層的同時(shí)又能保證灰渣具有一定的流動(dòng)性;④煤的HGI指標(biāo)大于50。HGI，即哈氏可磨性指數(shù)，這是一個(gè)無(wú)量綱的指標(biāo)，專門用來體現(xiàn)煤破碎成粉的相對(duì)難以程度。其大小與煤的硬度、強(qiáng)度、韌性、脆度等有關(guān)。HGI指數(shù)較大的煤，在破碎后產(chǎn)生的顆粒會(huì)更小，具有更高的堆積效率，因此，其在成漿后也會(huì)具有較高的濃度。

4 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，要針對(duì)具體的配煤方案進(jìn)行水煤漿氣化爐運(yùn)行情況的分析。首先要進(jìn)行煤質(zhì)分析，判斷其配煤指標(biāo)是否滿足氣化用煤的要求與成漿性的要求，之后必須進(jìn)行試產(chǎn)過程，分析配煤方案變更對(duì)設(shè)備運(yùn)行帶來的影響，是否滿足安全要求與經(jīng)濟(jì)效益要求。此外，我國(guó)煤礦分布具有十分明顯的地域性差異，各地要根據(jù)實(shí)際煤質(zhì)選取合適的配煤方案以及煤預(yù)處理工藝。

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作者簡(jiǎn)介：

蘇衛(wèi)芳（1988- ），女，籍貫：山西省天鎮(zhèn)縣，目前職稱：助理工程師，研究方向：煤化工。