水煤浆加压气化装置的优化配煤

1、水煤浆加压气化装置的优化配煤周寿祖，朱凤梅，张继臻( 水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心山东滕州 277527) 2003-02-16兖矿鲁南化肥厂德士古水煤浆气化装置于1993 年 4 月投料成功，于1994 年元月达到设计能力。该工程项目1994 年荣获原化工部一等奖， 1995 年荣获国家科技进步一等奖。上海三联供、陕西渭河化肥厂的德士古水煤浆气化炉也已投入运行。虽然德士古气化炉对煤种适应性强，但是煤质仍然直接影响德士古炉的工艺状况、气化后的气体成分、气化炉的使用周期以及灰水处理系统的工艺状况等。掌握好不同种煤的配比能降低氧耗、能耗，提高气化效率，带来很大的经济效益，因此，优化配煤在德士

2、古气化技术中占有重要的位置。1 德士古水煤浆气化工艺原理德士古水煤浆气化属气流床气化工艺技术，即水煤浆与气化剂纯氧在气化炉内特殊喷嘴中混合，高速进入气化炉反应室，遇灼热的耐火砖瞬间燃烧，直接发生火焰反应。微小的煤粒与气化剂在火焰中作并流流动，煤粒在火焰中来不及相互熔结而急剧发生部分氧化反应，反应在数秒内完成。在上述反应时间内，放热反应和吸热反应几乎是同时进行，因此产生的煤气在离开气化炉之前，碳几乎全部参与了反应。在高温下所有干馏产物都迅速分解转变为均相水煤气的组分，因而生成的煤气中只含有极少量的CH4。气流床气化的特点是每个煤粒均被气流隔开，每个颗粒能单独膨胀、软化、燃尽并形成熔渣，而与邻近的

3、颗粒毫不相干。燃料颗粒不易在塑性阶段凝集，从而燃料的粘结性对气化过程不会产生大的影响。德士古水煤浆气化炉所产煤气中主要组分含CO、H2 、CO2和 H2 O，它们存在如下平衡关系：CO+H2O=CO2十 H2在气化炉高温条件下，上述反应很快达到平衡，因此气化炉出口的煤气组成相当于该温度下CO、水蒸气转化反应的平衡组成。2 对煤质的要求2.1对煤质的主要要求煤料的反应性、成浆性、灰熔融温度是衡量煤种适应能力的主要指标。同时还应注意煤灰在还原性气氛下的流动温度和粘温特性。其对煤质的要求为：(1) 发热量达 25.121MJ kg，越高越好。(2) 灰熔融温度 FT 在 1 300 为宜，过高或过低

4、都不利于气化。(3) 煤中灰含量不得高于 20，越低越好。2.2对煤质的次要要求(1) 全水含量越低越好。(2) 挥发分含量越高越有利于气化反应。(3) 固定碳含量适中为宜。(4) 液渣粘度维持 1525Pa·s 之间，以维持正常的液态排渣。(5) 煤中有害元素硫、氯、砷等越低越好。(6) 可磨指数越大越好。3 配煤理论依据煤灰组成影响其灰熔融温度的规律如下：(1)Al2O3 含量高的煤灰，其熔融温度也高。当Al 2 O3 含量大于40时，煤灰的FT 必定超过 1 500 。(2)SiO 2 含量的影响没有Al 2O3 显著。(3)CaO 影响煤灰中 CaO大多以硅酸钙的形态出现，而

5、硅酸钙熔点较低，故一般来说，Ca0 含量越高，煤的灰熔融温度越低。(4)MgO的影响由于煤灰中的MgO含量一般很少，MgO又和SiO2 形成低熔点的硅酸盐，起到降低灰焙融温度的作用。(5) 氧化铁的影响由于氧化铁和SiO2 可以形成一系列低熔点的硅酸盐，故氧化铁起了降低灰熔融温度的作用，特别是氧化铁含量低于20的煤灰，当Fe2O3 含量每增加1，煤灰的ST温度平均降低18，因此，煤灰的熔融温度随Fe2O3 含量增加而降低，煤灰的颜色也随 Fe2O3 含量的增加而棕色加深。(6)K2O和Na2O含量增加，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) 由于添加助溶剂

6、CaCO3降低灰熔融温度导致水处理及换热系统结垢严重，且氧耗、能耗增高，气化效率低，操作复杂，有效气体成分低。4 优化配煤经验模型的建立4.1配煤试验的过程及分析综合考虑煤的灰熔融温度、反应活性、硫含量、成浆性、可磨指数等因素，进行工业掺烧前的可行性研究，以确定试烧配煤的经验模型。以掺烧白煤为例，说明经验模型获得的过程。(1) 白煤末即无烟煤末，在没有成形前，不能用于固定层常压气化炉气化。其特点为：固定碳含量较高，氢含量较高，挥发分较低，硫含量较低且相对稳定，灰分较低，热值较高，灰熔融温度较高。相对烟煤而言，变质程度深，煤质比较稳定，反应活性差，其煤质分析及单价见表 1。(2) 降低白煤末灰熔

7、融温度的试验及分析。白煤末灰熔融温度较高，为适应气化工艺要求，添加助溶剂CaCO3，以降低其温度( 见表2) 。从表2 可知，需加入灰含量20以上的助溶剂，才可降到需要的温度，而加入大量的CaCO3( 每吨煤约38kg 以上 ) 是不经济的，因此，不能单独用白煤末作为德士古气化炉的原料煤。(3) 以北宿烟煤为主，白煤末为辅作配煤试验及分析。北宿煤的煤质分析见表1。配煤试验的灰熔融温度变化及硫含量见表3。从表3 可知，以北宿煤为主时， 掺烧30以下的白煤末是可行的。为使其灰熔融温度进一步降低，又做了添加助溶剂CaCO3的试验。当助溶剂CaCO3，添加量为煤灰的5时，其灰熔融温度变化见表4。从表4

8、 可知，掺烧白煤末在30以下时，助溶剂使灰熔融温度变化较小，且随白煤末含量的增加灰熔融温度上升缓慢。因此，当白煤末含量不超过30时，温度容易控制，且不需要添加助溶剂。4.2白煤末掺烧配比试验的综合分析及结论(1) 由上述试验可知，在北宿煤中掺烧30以下的白煤末时，混煤的灰熔融温度FT波动较小 (1 2801 320) ，有利于工业生产的工艺操作。故掺烧30以下的白煤末是可行的。(2)白煤末的硫含量较低，掺烧白煤末，水煤气中H2S 含量降低，可减轻净化脱硫系统负荷。(3)掺烧白煤末含量在 30以下时，加入少量助溶剂(CaO含量为灰的 5 ) 就可使灰熔融温，度降低到 1 300 。(4) 白煤末

9、中 C、 H 含量较高，掺烧后可以提高德士古炉的产气量。(5) 白煤末是该厂第一氮肥厂常压固定层造气系统的筛下料，在没成型前不能用于固定层常压气化，价格便宜，若掺烧成功，将带来很大的经济效益。(6) 白煤末掺烧配比的试验结论：以北宿煤为主，以白煤末为辅，进行掺烧，若不加助溶剂，白煤末掺烧量应控制在20左右；若添加助溶剂CaCO3、CaO含量为煤灰的5时，白煤末含量应控制在30左右。4.3优化配煤经验模型的建立(1) 在现有配煤 ( 北宿煤落陵煤七五煤 =532，质量比，下同 ) 基础上掺烧 30白煤末。(2) 综合考虑煤的灰熔融温度、反应活性、硫含量、成浆性及可磨指数等因素，决定按以下比例分3

10、 个阶段逐步掺烧白煤末。第1阶段，试烧混煤配比， 北宿煤七五煤白煤末=10101， 时间48 小时。若成功，则进行第2 阶段试烧， 混煤配比为， 北宿煤七五煤白煤末 =551，时间为48 小时，获取数据。若再成功，则进行第3 阶段试烧，混煤配比为，北宿煤七五煤白煤末=552。(3) 分别按 (2)所确定的3 种配比作混煤的灰熔融温度试验，其结果见表5。(4) 该厂其它煤种掺烧的经验模型的取得大体与白煤末掺烧经验模型类似，并都取得成功。现仍在此基础上开发新的德士古气化煤种，已试掺烧成功的煤种达十余种，使气化用煤矿点进一步拓宽，企业的原料市场进一步扩大。5 优化配煤应用回顾气化炉自 1993 年

11、4月首次投料到 1994 年 4 月只烧七五煤。由于七五煤灰熔融温度较高，采用添加石灰石作助溶剂以降低灰熔融温度。七五煤煤质分析见表1。 1994 年 4 月 21 日，为降低煤浆的灰熔融温度，减少助溶剂的添加量，开始试掺烧灰熔融温度低，适宜于气化的北宿煤，并一次获得成功。北宿煤的煤质分析见表l 。1995 年 6 月 1 日在混煤中掺烧白煤末，由于煤浆的泵送性不好，可磨指数低，反应活性差，发气量降低，工艺操作不稳等因素，结论为白煤不适宜于水煤浆加压气化，于当年6 月混煤中停加白煤末。 1995 年 11月 1日，为了降低混煤灰分含量，在七五煤与北宿煤的混煤中掺烧落陵煤，又获得成功，落陵煤的煤

12、质分析见表1。 1996 年 3 月 1 日，由于七五煤是优质的动力锅炉用煤，价格较贵， 为降低成本， 在混煤中停加七五煤。 七五煤改为锅炉用煤。 1996 年 3 月 7 日，煤浆中停加助溶剂，气化炉所烧混煤比例调整为北宿煤落陵煤 =73，同时调整了气化炉的工艺参数。 自 1996 年 4 月，混煤比例调整为北宿煤落陵煤 =55，运行状态良好。 1997 年 5 月试掺烧级索精煤，并获得成功。1997 年 8 月由落陵精煤、原煤掺烧改为全烧落陵精煤，产量进一步提高，合成氨最高日产量达到 347 吨，超过原设计能力的 44。落陵精煤、原煤的煤质分析见表1。1997 年 11 月试烧井亭原煤，后

13、改为精煤，并获得成功。其煤质分析见表1。 1998 年 11 月 18 日，赵坡精煤进入德士古气化炉试烧，并获得成功，煤种进一步拓宽，其煤质分析见表1。该厂目前掺烧配煤的比例为，北宿煤级索煤井亭煤赵坡煤=332.5 1.5 。在工业试烧的基础上，将上述比例改为333.5 0.5 ，工艺状态良好。6 优化配煤经济效益分析6.1设备故障率减少，运行周期延长添加CaCO3作助溶剂，虽然降低了灰熔融温度，但由于灰水系统中大量Ca2+ 的存在造成设备结垢严重，pH 值变化较大，导致系统中各个部位结垢倾向不同，控制较难。从停加助溶剂到全烧精煤后，烧嘴的使用周期明显延长，开停车次数明显减少。从投料成功到出合

14、成氨需要5 6 小时。 6 小时放空气体可生产合成氨75 吨，价值11.6 万元；空分、气化系统在投料前运行费用每小时需1 万元 ( 水耗、电耗) ，且需46 小时；这种短停的开车费用为1 次20 万元；若倒炉换烧嘴开车，再加上气化炉的烘炉费用20 万元 ( 水、电、蒸汽、燃料气 ) ， 1 次开车费达40 万元。因此，每年节约开车、运行及设备折旧费达600 万元以上。6.2降低耐火砖的蚀损率因为德士古气化炉炉内温度高，在1 400、 3.0MPa 压力下操作，又是还原性酸性气氛、液态熔渣的侵蚀、酸性气体腐蚀和气流夹带粒子的高速冲刷，条件异常苛刻，所以对耐火材料的要求较高，因此，耐火砖价格相当

15、昂贵。由于灰分降低，单炉产气量的增加，使耐火砖的使用周期延长。又由于降低了灰分，优化了灰的组成，降低了操作温度，又使耐火砖的使用周期延长。自1997 年 9 月，5 日到1998年 5 月 27 日， B#炉连续运行时间达244 天，创造了单炉运行的最长周期。仅此一项节约资金400 万元以上，经济效益非常显著。6.3拓宽气化煤种，降低原料价格由于七五煤的挥发分、发热量、灰熔融温度较高，且不易结渣，焦结性适宜，是优质的动力锅炉用煤，价格较贵，而落陵煤、北宿煤、井亭煤、赵坡煤等煤种灰熔融温度较低，焦结性不适宜于层燃式锅炉燃烧，价格较便宜，这样使原料成本进一步降低，从而使吨合成氨的制造成本降低了36

16、 元，年获利360 万元。6.4相对提高煤浆浓度停加助溶剂，减少外来灰分，从原煤掺烧，精、原煤掺烧到全烧精煤，减少内在灰分。煤中的灰分不仅影响煤的热值，而且决定着煤的灰熔融温度的高低。试验证明灰分含量从20下降到6，可使煤耗减少5，氧耗下降10，生产能力提高15。原设计煤浆浓度为 63，现在不加助溶剂和烧配精煤，煤浆浓度可达66，由于降低了灰分，煤浆浓度实际提高了6，致使煤的反应空间和反应物料相对增加，单炉发气量由1993 年的32 000m3(标) h( 湿基， ) 增加到现在的45 000 m 3( 标) h( 湿基， ) ，设计指标为27 262m3(标) h( 干基，相当于湿基38 1

17、66 m 3 ( 标) h，气体效率相应有所提高，有效气体成分增加。煤浆浓度每提高一个百分点，产气量上升2 400m3( 标 ) h( 湿基 ) ，合成氨小时产量由1993 年的9.8th，增加到现在的14t h，最高小时产量达14.6t h，最高日产达347t ，超过设计能力的44。而吨氨氧耗、电耗、煤耗大大低于设计值。1998 年吨氨电耗1 509 kW·h，煤耗1 438kg(原煤 ) ，分别比1997年低38kW·h 和 14kg，比设计指标低161kW·h 和15kg，设备折旧费相对降低，使合成氨成本降低，年节约费用535 万元，经济效益可观。6.5简化

18、制浆系统，降低运行费用，停加助溶剂后，除相对提高煤浆浓度外，同时降低了煤浆槽搅拌器的功率，年节约电费约刃万元，再加上设备检修及折旧费，年节约费用60 万元以上。同时使高压煤浆泵运行稳定，在功率不变的情况下，输浆量相对增加，隔膜损伤程度降低，使用周期延长，减少了停车次数，这是项潜在的经济增长点。7 结论(1) 优化配煤应从技术和经济两个方面权衡，参考配煤的经验模型确定配比，减少试烧时间，优化工艺操作，稳定工艺指标，提高气化效率，以达到最佳的经济运行效益，同时不断开发气化新煤种，拓宽气化原料市场。(2) 为了气化炉排渣顺利，建议引进T4 温度 ( 灰渣流动时灰的粘度在2540Pa·s 时

19、的温度 ) ，以此为气化炉的操作温度，测量灰渣的粘度，并找出规律，确定最佳的操作条件。(3) 气化精煤混煤的综合效益比较高。优化配煤在德士古水煤浆加压气化技术中的应用延缓了黑水系统结垢堵塞的时间，降低了运行费用，使运行周期达到国际先进水平，原料煤种的选择避难就易，拓宽了德士古气化煤种，开发了德士古气化原料市场，经济效益显著。水煤浆加压气化装置黑/ 灰水系统改造朱冬梅 吕传磊 聂成元 宋 萍 ( 山东兖矿鲁南化肥厂滕州 277527) 2002-08-16我厂德士古水煤浆加压气化装置采用三级黑水闪蒸，闪蒸汽和灰水进行两级逆流换热的黑灰水流程。该流程便于回收余热。但在运行中，黑灰水系统存在着闪蒸罐

20、垢堵和管道磨蚀穿孔等问题，严重影响气化装置的运行。现将近几年对该系统的技术改造总结如下。1 黑灰水系统流程气化炉和洗涤塔来的黑水由节流减压阀依次进入高压闪蒸罐和中压闪蒸罐，高温液体在闪蒸罐内降压膨胀，闪蒸汽经两级逆流换热后进入火炬，闪蒸后的含固黑水自流入负压控制的真空闪蒸罐，底流物由沉降槽给料泵输入沉降槽。在此过程中，黑水逐步被浓缩，含固量越来越大，在沉降槽中与絮凝剂充分混合接触，固体沉降到底部排污处理，较清的灰水溢流进入灰水罐由高压灰水泵输入系统循环利用。高压灰水和高、中压闪蒸罐闪蒸的汽气混合物 ( 温度约 170和 144) 逆流接触换热，灰水温度由 75升至 150左右，余热得到最大限度

21、的回收，原设计流程见图 1。2 存在的问题(1) 原设计中，真空闪蒸罐位于 5.00m 的框架 2 楼上，其出口黑水必须经沉降槽给料泵输入沉降槽，由于泵输介质的原因，故障率非常高，维护也相当复杂，而且泵泄漏的黑水四溅，污染了整个气化现场。(2) 整个系统闪蒸罐内和管道内壁结有大量垢片，堵塞闪蒸罐的黑水出口并卡住液位自调阀，难以处理，而且操作危险性大，极易发生烫伤人的事故。(3) 在黑灰水系统中，黑水的含固量大，固体多为细碎的熔融玻璃体状细渣，硬度较高且粒度不均，随着系统中黑水不断流动，弯头、管道等关键部位被磨蚀穿孔，导致气化装置必须减量，甚至停车处理。另外，大量的含固黑水被汽气混合物夹带着进入

22、各级闪蒸罐顶换热器，在换热器的壳程中极易产生沉积结垢，影响换热器的换热效果。3 系统的改造根据存在的问题，我厂分别于1997 年底和 2000 年初对黑灰水系统进行了改造，改造后的黑灰水系统流程见图2，改造内容如下：(1) 黑灰水系统中真空闪蒸罐的位置由原来 +5.00m 的框架 2 楼移至 +22.50m 的框架 5 楼，闪蒸处理后黑水靠自流进入重力沉降槽，作进一步的处理。(2) 高、中压闪蒸罐的黑水出口管线，改至闪蒸罐罐体中下部引出，罐内黑水出口处设折流挡板，以避免大块灰渣进入黑水管道。罐底锥部原黑水出口管线改造成排污管线，并配置冷凝液管线，定期冲洗，以便集结在罐体底部的灰渣垢片等沉积物及

23、时排出。此项改造避免了高、中压闪蒸罐罐体和管道的垢堵。(3) 针对真空闪蒸罐黑水出口只能设于罐的锥底，无法设置排污管线的弊端，我们在真空闪蒸罐底部自行设计了1 台积渣罐 ( 见图2) ，规格参数见表 1。积渣罐设于罐体锥部出口管线与液位调节阀之间， 其出口设置折流挡板以防止灰垢进入自调阀， 在其内中下部设置箅子板，起过滤灰渣的作用。箅子板上方留一卸料孔，以便清理积渣罐内部的灰垢。箅子板下方设置排污阀，可以在拆卸料孔板时，排净积渣罐内的黑水，以免烫伤人，实现对积渣罐的不定期清理。(4) 真空闪蒸罐底部的液位自调机构，由原来的一开一备，改为单系列自调机构，另一路设置球阀。这样，不仅节省了1 套自调机构，节约了费用，使维护更加简单，而且避免了灰垢易堵自调阀的情况，使黑灰水系统运行更为稳定。(5) 针对含固黑水易磨穿关键部位的弊端，我厂与多家科研单位联合，研究开发了用特殊材料