煤质对Texaco气化装置运行的影响及其选择.doc

煤质对Texaco气化装置运行的影响及其选择张继臻，种学峰(兖矿鲁南化肥厂，山东 滕州 277527) 2002-03-160 引 言 Texaco水煤浆加压气化技术煤质的好坏直接影响到正常的生产操作和经济效益。鲁南Texaco装置从1993年4月20日投料成功以来，煤质曾是困扰满负荷、长周期、稳定运行的关键因素。我国其他三套Texaco煤气化装置也出现了同样的问题。本文谈谈煤质对Texaco煤气化工艺的影响，国内2套大型Texaco煤气化装置对煤质选择的经验，供大家参考。1 Texaco水煤浆加压气化工艺对煤质的要求 Texaco气化是气流床湿法加料，液态排渣的加压煤气化技术。无烟煤由于反应活性低，碳转化率低，可磨指数小，不适宜于水煤浆加压气化。褐煤的内在水分含量较高，内孔表面大，吸水能力强，成浆时，煤粒上能吸附的水量多。因而，在水煤浆浓度相同的条件下，自由流动的水相对减少，以致流动性较差，若使其具有相同的流动性，则煤浆浓度必然下降，即褐煤的成浆性差。故褐煤在目前尚不宜作为水煤浆加压气化的原料。适宜于水煤浆加压气化的是烟煤，而烟煤中最适宜气化的是长焰煤、气煤等。即使是长焰煤、气煤，如果煤的灰熔融温度很高(1400)，且灰渣的粘度很大，也不宜选用Texaco气化法气化。1.1 主要指标 煤质适应性的主要指标如下。 (1)发热量达25.12MJkg一般的烟煤(原煤)都能达到这个要求，精煤更是如此，越高越好。 (2)灰熔融温度FT在1300为宜。过高或过低都不利于气化，(鲁化的优化指标为11001250)。 (3)煤中灰量不得高于1520，越低越好。鲁南现用的是精煤，灰含量一般在7左右。灰含量高会导致比煤耗、比氧耗增大，灰分愈多，随灰渣而损失的碳量就愈多。灰含量每增加1，氧耗增加0.70.8(体积分率)，生产成本上升，同时增加了三废治理的工作量。 1.2 次要指标 (1)全水分含量越低越好。煤的成浆浓度随着内在水分含量的增大而降低，内在水分低的煤易于制取高浓度水煤浆。随着水煤浆浓度的提高，煤气中有效气体成分增加，气化效率提高，氧气耗量下降。 (2)挥发分含量越高，越利于Texaco气化反应，增加煤气产率。优化指标为Vdaf37。 (3)固定碳含量越高越好。 (4)液渣粘度维持在1525Pas之间，以维持正常的液态排渣。 (5)煤中有害元素硫、氯、砷、汞、氟等越低越好。 (6)可磨指数越大越好，越大，煤越易磨碎，可提高煤磨机的产量，降低耗电率。 2 Texaco煤气化工艺对原料煤的四个关键要求 2.1 成浆性 影响煤成浆性的因素很多，如煤的变质程度，煤的灰分含量，内在水分含量，灰成分，煤的粒度分布，制备水煤浆用水特性，制浆温度，搅拌时间、强度，添加剂的种类、用量等，且有些因素之间是密切相关的。其中最关键的是煤的种类、添加剂的型号及量。性能好的煤浆要有高的煤含量、低粘度，表观流动性、稳定性好，析水率低等。作为Texaco水煤浆加压气化工艺要求煤浆浓度在60以上，粘度小于1000cP。变质程度浅的煤，内表面大，吸附水多，不易制得高浓度煤浆，年老煤亲水性官能团少，与水的结合力弱，也不易制得高浓度煤浆。一般变质程度较深，内在水分含量较低的年轻烟煤较易制出高浓度的水煤浆。煤的内水含量越高，煤中OC比越高，含氧官能团和亲水官能团越多，空隙率越大，煤的制浆难度越大。目前较为通用评价成浆性难易程度的数学模型如下： D=7.5+0.5Mad0.05HGI式中 Mad煤的分析基最高内在水分；HGI煤的哈氏可磨指数；D成浆难度指数。 当D4时，煤易成浆；4D7，成浆难易程度一般；740时，煤灰的FT必定超过1500。 (2)SiO2含量的影响没有Al2O3那样显著。SiO240的煤灰其熔融温度较SiO23，且SiO2含量50的煤灰，当CaO含量在2025时，煤灰熔融温度最低，CaO含量超过这个范围时，煤灰熔融温度开始提高。当(SiO2Al2O3)3.0，CaO含量在3035时，煤灰熔融温度最低，当CaO含量超过这个范围时，再增加CaO，煤灰熔融温度开始提高。 (4)由于煤灰中的MgO含量一般很少，MgO又和SiO2形成低熔点硅酸盐，所以也起降低灰熔融温度的作用。 (5)氧化铁和SiO2可以形成一系列低熔点的硅酸盐，所以氧化铁起降低灰熔融温度的作用。在弱还原气氛中，Fe2O3以FeO的形态存在，与其他价态的铁相比，FeO具有最强的助熔效果。如果煤灰中的CaO、碱金属氧化物等助熔组分含量较高，且硅铝比较高，在Fe2O3含量较低时，就能使煤灰熔融温度很低；对于硅铝比较低，且CaO、碱金属氧化物等助熔组分含量亦较低的煤灰，在Fe2O3含量较高时，才能使其熔融温度最低。特别是氧化铁含量低于20的煤灰，Fe2O3含量每增加1，煤灰的ST温度平均降低18。因此，煤灰的熔融温度是随Fe2O3含量增高而降低，煤灰的颜色也是随Fe2O3含量增高而加深。这就是为什么煤浆的灰熔融温度比原料煤的灰熔融温度低4080的原因(磨机磨煤时部分铁屑进入煤浆中)。 (6)K2O和Na2O含量增高，煤灰熔融温度显著下降，每增加1，煤灰的FT温度平均降低17.7。 (7)硫在煤灰中起降低熔融温度的作用。 煤灰熔融温度的计算方法 长期以来，除实测外，国内外学者做了大量研究工作，提出了几种根据煤灰化学组成预测煤灰熔融温度的方法。如姚星一、王文森根据我国煤灰组成特点，提出了灰熔融温度FT计算的经验公式： (1)、 (2)适用于b(b即为Fe2O3+CaO+MgO+KNaO)小于30的煤灰。(3)式适用于b大于30的煤灰；如果(2.5b+20Al2O3)332，应再加上2332一(2.5b+20Al2O3);如果(3.3b +10SiO2)475，应再加上2475(3.3b+10SiO2)，这些经验式计算出的FT值一般和实测值之差在100以内。Winegartner和Rhodes，Sondreal和Ellman分别利用大量美国煤样的分析数据，通过回归分析，得到能够准确预测煤灰熔融温度的预测方程；Vincent研究了新西兰煤灰化学组成和熔融温度之间的关系。他根据特定煤田的煤灰组成，利用多元回归法、逐步回归法来预测煤灰熔融温度。平户瑞穗根据煤灰中主要化学成分如CaO、Fe2O3、Al2O3和SiO2与熔融温度之间的关系建立了多元回归方程(相关系数r0.95)，能够较为准确地预测煤灰熔融温度。 3.2 灰渣的粘温特性 科技工作者通过大量的研究，分析了煤灰各组分对灰渣粘度的综合影响并回归出许多经验公式，其中较为常用的是灰渣粘度为250 Pas所对应的温度t250： 通过t250的高低大致可以判断灰渣流动性能。t250低说明气化炉在较低的温度下即可顺利排渣。 WattFereday等人对灰渣成分对粘度的影响进行了回归，得出如下关系式： 根据煤灰渣成分计算不同温度下的灰渣粘度已成为判断煤种能否适应于Texaco气化过程及确定气化炉操作温度范围的重要依据。4 配煤技术在Texaco煤气化工艺中的应用 优化Texaco配煤的理论依据是灰熔融温度、粘温特性和熔渣的腐蚀性。配煤质量的预测是基于挥发分、灰分、发热量、灰熔融温度等与单煤有较好的可加性(即可加权平均)而得的。根据Texaco炉对煤质的要求及煤质适应性的主要指标，兼顾其他指标，选择价格最优或灰分最少，运用线性规划模型来求解单煤配比，所得结果的误差在工业生产允许的范围内，并可在试验基础上进一步校正。配煤、掺焦可以使不能适应Texac。气化工艺的单煤或石油焦等低品质原料气化，并可保持Texaco炉的操作稳定和长周期运行，减少或不用助熔剂，降低氧耗、煤耗等优点。由于石油焦和低碳煤的价格低廉，商业性较好，美国滩帕电厂、日本宇部氨厂已将石油焦与煤混合制浆作为Texaco气化炉进料。操作运行情况良好。尤其是日本宇部氨厂在石油焦浆中加入助熔剂(锅炉飞灰和石灰粉)进行石油焦气化试验获得成功后，于1996年9月直接使用石油焦浆作为气化炉进料，工艺运行情况良好。5 Texaco工业化装置对煤质选择的实例介绍5.1 陕西渭化Texaco装置的煤质选择 陕西渭河化肥厂Texaco煤气化装置原设计采用陕西黄陵煤。投产后，煤来自多矿井，关键指标难以控制在要求范围之内，装置不能平稳运行。煤质经常变化对制浆、气化、排渣、灰水处理产生了极大的影响，工艺操作难度大，装置停车频率高，生产负荷受到限制。为从根本上解决此间题，选择了甘肃华亭矿烟煤进行试验。 试验表明,黄陵煤具有较高固定碳和热值，内水和挥发分较低，成浆性能好，煤浆浓度可保持在6568之间，有效气体成分在82以上，工艺气中CH4含量低，且稳定。其缺陷是矿物杂质含量高，灰熔融温度高，灰水管道堵塞、磨损增加。气化炉耐火砖长期处于高限值操作，耐火砖蚀损率高，气化系统停车频繁。华亭煤具有低灰分、低硫分、低灰熔融温度的优点，是水煤浆加压气化较理想的原料。华亭煤煤化变质程度较浅，内在水分含量、吸附和凝聚水分含量以及空隙率偏高，制得较高浓度煤浆有一定困难；另外，挥发分与有机成分碳氢化合物含量较高，工艺气CH4含量变化较大。华亭煤可调低氧煤比，避免高炉温操作，黑水中含固量大幅度降低，管道、阀芯泄漏率降低。煤灰渣粘性大，粘温特性存在突变值，炉温操作时掌握突变点，灰渣熔融温度和流动温度明显下降，使气化炉在较低温度下操作，延长气化炉耐火砖使用寿命。 使用华亭煤后，系统故障明显减少，非计划停车次数降低45，原煤单耗下降22.06，实现了较高的经济效益。但华亭煤煤浆浓度偏低，有待下一步改良添加剂及寻找合理的粒度分布，使煤浆浓度上升45，以提高合成气有效气体成分的含量。5.2 鲁南Texaco煤气化装置原料煤开发经验 鲁南Texaco煤气化装置原设计使用七五煤，由于七五煤灰熔融温度较高，采用添加CaCO3作助熔剂以降低灰熔融温度和粘度，出现了渭化黄陵煤相同的问题。为降低煤浆的灰熔融温度，减少石灰石添加量，1994年4月21日开始试配灰熔融温度低、适宜于Texaco气化工艺的北宿煤，减少助熔剂CaCO3的添加量，一次性获得成功。1995年11月1日，在七五与北宿的混煤中，配入落陵精煤，又获得成功。1996年3月1日，停止掺配七五煤，3月7日，停加助熔剂CaCO3，并调整了北宿与落陵煤的配比，同时降低操作炉温和其他运行参数，运行状况良好。随后又试验了极索，井亭，赵坡的精、原煤，得出气化低灰、低灰熔融温度的配煤经验，于1997年8月由精、原煤掺配改为全配精煤为气化原料至今。气化炉的运行周期也由最初的11 d 9 h达到了77d 12h 30min。目前，只要煤质关键指标保持稳定，或在煤质变化时及时调整工艺参数，Texaco气化炉运行工况便能保持稳定。气化型煤新技术的应用与开发王学先 田 青 侯立刚 程国强(山东飞达化工科技有限公司 泰安 271400) 2004-06-161 问题的提出 近年来，无烟块煤价格居高不下，2004年第一季度最高竟达800元t，有些化肥生产厂家被迫限量低负荷运行。在这种形势下，山东飞达化工科技有限公司要想获得持续健康发展，就必须进一步挖潜，降低生产成本。 合成氨作为尿素等生产的基础原料，在化肥生产中占有极其重要的地位，降低合成氨的生产成本也就降低了最终产品的生产成本和完成成本。而在合成氨生产中，原料(白煤)费用占合成氨成本的35.8，电耗占33.8，其它费用占30.4。因此，降低合成氨生产成本应首先从降低原料成本出发。 国内最新研究开发的多元混合料浆气化技术、灰熔聚流化床粉煤气化技术和煤(焦)富氧连续气化技术，具有投资少、工艺先进、原料来源广、综合利用好、污染小等特点，是对我国中、小氮肥原料路线的重大革新和突破，对合理利用资源、优化配置、降低生产成本、增强市场竞争力都有重要意义。但这3项技术目前尚处于试验阶段，要实现工业化应用仍需要一定的时间。 而国内20世纪五六十年代开发的碳化煤球技术相对成熟，并经几十年的改造又取得了一定的进步。但该技术存在投资大、污染性大、劳动强度高等缺陷。 能否寻找或开发一种投资少、见效快的节能降耗的有效途径，且具有先进性、经济性、稳妥性和系统性的优点，已成为公司的当务之急。2 方案的确定 公司与国内科研单位通力合作，建立试验基地，发挥各自优势，开发成功气化型煤新技术。该技术采用无烟煤末为主原料，加入一定比例的复合粘结剂和添加剂，通过一定工艺处理，经过成型、烘干而成。 该技术是在石灰碳化煤球和清水煤棒型煤的基础上，借鉴成功之处，优化升级，其中部分先进技术已在石油化工、冶金、玻璃、陶瓷等行业率先推广应用，取得了较好的经济效益和社会效益。 依据该技术放大效应的可靠程度，结合公司现有生产条件及今后扩能降耗需求，制定了整体工程技术方案，并相应确定了该工程的设计基准条件。 (1)设计生产规模为3050 kta。 (2)产品质量达到如下要求：固定碳含量(与原料样相比)降低6，冷强度450 N个，热稳定性(R13)70，灰熔点(ST)1 250，含水量2。 (3)成本增加(在粉煤基础上)70元t。 3 方案的实施 3.1 生产工艺 根据多年来的理论研究和实践经验，气化型煤技术关键之一是选择合理的工艺路线。气化型煤新技术确定的生产工艺流程如图1所示。 3.2 粘结剂的选择 气化型煤新技术采用因地制宜的粘结剂原料、合理的粘结剂制造技术以及严格的配方，使所开发的粘结剂具有以下特点： (1)良好的粘结性能。 (2)能使型煤具有足够的机械强度、抗湿性和热稳定性。 (3)产品发热量和固定碳含量降低少，活性有不同程度提高。 (4)不含对气化和后续工艺有害的杂质，不危害员工健康，不污染环境。 (5)原料来源广，价格便宜，能就地取材。 3.3 主要设备 研制开发的型煤机械设备，从原料的定量、破碎、粘结剂制备、物料搅拌、成型到干燥已形成系列，能保证工艺流程的实现，其主要设备情况见表 1。 3.4 总布置图 烟煤厂与造气工段之间平衡配套，按长方形一字展开布置，给料机靠近煤末堆，干燥系统靠近吹风气装置，干燥窑、成型机出口紧挨磅室，直通上料口。 3.5 生产特点 (1)生产方式 间歇生产与连续生产相结合，可以边投料边贮存，也可以边生产边干燥使用，直接用于造气生产。 (2)热能综合利用 干燥气体全部利用造气吹风气放空烟气。现有3 000造气吹风气回收装置2套，配2 610造气炉4台(造气炉共计8台)，炉膛热点温度为1 100，炉膛温度650，废气流量(23)104m3h(标态)，烟气出口温度160，风压为3 600 Pa，吹风气回收原工艺为经引风机引至烟囱(高度20m)直接排放。 在正常运行时，吹风气的烟气属非爆炸性气体，考虑到开停车或不正常情况下烟气成份可能接近易燃易爆区，为保证干燥系统始终处于安全区，设计时将烟气入口设置在窑体顶部一端防爆膜附近。这样，正常时烟气经干燥系统回收热能、降温、除尘、放空，不仅有利于环境保护，而且热风炉可备用不开，日节煤5 t。 4 运行效果 4.1 生产方式 考虑到造气炉之间的通用性、一致性和互备性，决定采用掺烧方案先在1台造气炉上试烧气化型煤，成功之后再扩大应用范围。 依据掺烧量一般为13，最大不超过23，造气加料量、生产工艺指标、工艺流程无需改变，生产系统无不良影响。 4.2 运行工况 4.2.1 原料条件 (1)山西晋城、河南焦作两地中块煤(50150mm)与型煤(52mm49 mm30mm)按3 1(质量)混烧。其中中块煤含碳量为75，热值 26.5 MJkg；型煤含碳量为68，热值为25.0 MJkg。 (2)2 610造气炉8台，开6备2，过热蒸汽 (310)制气。 (3)采用改进型D400、C600高效风机各1 台，自动加煤机2台，循环时间为150s。 4.2.2 工艺控制指标 (1)掺烧型煤后，风压变化不大，仍控制为 22.7 kPa(170mmHg)。 (2)型煤表面积、反应速度、炉温均无明显变化，故送风时间仍为38s。 (3)上、下吹制气时间分别为3436s、6062s。 (4)蒸汽阀门开度不变，消耗不变。 (5)排灰次数仍为每