煤质对晋华炉运行的影响及拓宽煤种适应性试烧总结.pdf

书书书櫦櫦櫦櫦櫦櫦櫦櫦櫦櫦櫦櫦櫦櫦櫦櫦櫦櫦櫦櫦櫦櫦毤毤毤毤专论与综述 收稿日期 修稿日期 作者简介郭文龙（），男，山西晋城人，硕士，正高级工程师，阳煤丰喜肥业（集团）有限责任公司总工程师兼临猗分公司总经理，长期从事煤化工生产技术管理工作。煤质对晋华炉运行的影响及拓宽煤种适应性试烧总结郭文龙，樊少波，闫晓泽，赵普强，王颖和 阳煤丰喜肥业（集团）有限责任公司，山西 运城 摘要阳煤丰喜肥业（集团）有限责任公司临猗分公司 年 月建成投运 台耐火砖晋华炉（第一代晋华炉，采用耐火砖衬里，运行周期约 ），年 月建成投运 台水冷壁晋华炉（第二代晋华炉，运行周期约 ），年 月投运 台改进型水冷壁晋华炉（第三代晋华炉，由 台耐火砖晋华炉改造而成，运行周期约 ），台晋华炉三开一备，运行状况良好。基于对原料煤挥发分、固定碳、灰分、水分、低位发热量、灰熔点（）、哈氏可磨性指数、结焦特性及煤浆浓度等对晋华炉运行的影响分析，分别于 年 月、年 月、年 月、年 月在 晋华炉（第二代晋华炉）进行神木煤掺烧（或单烧）阳泉沫煤、朔州煤、塔山煤、余吾煤的试验，晋华炉表现出较强的适应性。多次为拓宽晋华炉煤种适应性而开展的掺烧试验，不仅有利于企业的降本增效，而且可助力晋华炉的推广应用。关键词晋华炉；运行影响因素；阳泉沫煤；朔州煤；塔山煤；余吾煤；掺烧试验；效益分析 中图分类号 文献标志码 文章编号 （）引言德士古水煤浆加压气化是 世纪 年代兴起的煤气化工艺，因其自动化程度高、煤种适应性广、碳转化率高、三废排放少、能耗低等特点而获得迅速发展。继 年我国第一套德士古水煤浆加压气化装置在山东鲁南化肥厂投运后，国内陆续有多家企业的德士古水煤浆加压气化装置建成投产。阳煤丰喜肥业（集团）有限责任公司临猗分公司（简称丰喜临猗分公司）始建于 年，陆续建成了多套合成氨装置与尿素装置，现有 套 合成氨装置（联产 甲醇）与 尿素装置、套 合成氨装置（联产 甲醇）与 尿素装置、套 三聚氰胺装置，主产品产能为合成氨 、尿素 、甲醇 、三聚氰胺 ；由于各生产装置是逐步建成的，工艺介质与公用工程系统多有联通，系统可根据市场行情与生产计划等来适度调整产品结构。年，丰喜临猗分公司开始筹建水煤浆气化装置，采用清华大学提出的二次给氧技术开发出了独具特色的非熔渣熔渣气化炉（第一代晋华炉），采用耐火砖衬里，投煤量 ，其整体效能略优于同等产能的德士古水煤浆气化炉。截至 年 月，丰喜临猗分公司已建成投运了 台（套）第一代晋华炉，经多年来的优化改造，并根据后系统的生产需求要保持 台晋华炉运行，而由于晋华炉运行约 后需停炉检修更换耐火砖，无法一直保证 台晋华炉的连续运行，年 月丰喜临猗分公司技术管理团队提出将这 台晋华炉由耐火砖衬里全部改为水冷壁，这一思路的提出源于当时 干煤粉水冷壁气化炉均采用水冷壁技术，水冷壁气化炉的运行周期远远高于水煤浆加压气化炉，且晋华炉更换一次耐火砖最少需要 和 万左右的费用。这个思路经丰喜临猗分公司和清华大学等相关技术人员共同论证后立即开始实施，具第 期 年 月中氮肥 体实施过程分两步走：第一步，新建 台水冷壁晋华炉（即第二代晋华炉，投煤量 ），生产上实现 台晋华炉三开一备，以满足单套 合成氨装置的供气需求（另一套 合成氨装置由固定床气化炉供气），保持系统不因倒炉或停炉检修而减量运行；第二步，将已有的 台耐火砖晋华炉全部改为水冷壁晋华炉。第一步工作已于 年 月完成，新建的水冷壁晋华炉投煤量为 （其灰水处理系统略有改进，主要目的是减少灰水系统的磨损，其余地方没有大的改动），投运后成功实现 台晋华炉三开一备，运行状况良好；第二代晋华炉运行周期约 ，相较于耐火砖晋华炉而言，水冷壁晋华炉除了运行周期更长外，还能回收热量副产蒸汽，间接减轻锅炉负荷，总的来说，水冷壁晋华炉在运行的稳定性、安全性和操作控制等方面均优于耐火砖晋华炉，尤其是在煤种适应性上明显优于耐火砖晋华炉。第二步工作因丰喜临猗分公司生产区域场地限制，吊装难度太大，年间只对其中靠界区外马路的 台第一代晋华炉进行了改造（另外 台第一代晋华炉目前仍未实施改造），本台晋华炉在原水冷壁技术的基础上又进行了回收蒸汽的改造，形成了第三代晋华炉（投煤量 ）。第三代晋华炉于 年 月开始原始烘炉，年 月投料成功，至此世界上首台第三代晋华炉在丰喜临猗分公司成功投入工业生产。第三代晋华炉投运后各项运行指标均达到了设计要求，其运行周期约 ，能量回收利用更加合理、科学，相较于第二代晋华炉可回收更多热量而多副产蒸汽，在粗煤气产量与质量、系统运行的稳定性与安全性及操作控制等方面与第二代晋华炉没有明显的区别，其成功投运创造了业内的奇迹，表征着水煤浆气化技术又上了一个新的台阶。晋华炉先后荣获“年教育部发明一等奖”、“第 届全国发明展览会金奖”、“发明创业奖项目奖金奖”、“年度中国氮肥工业协会技术进步特等奖”、“年度中国煤炭工业协会科技进步特等奖”、“年日内瓦国际发明展金奖”等奖项。迄今，晋华炉气化技术已在丰喜临猗分公司应用了近 ，其总体运行状况良好，各项技术经济指标均达到预期目标。山西是我国的产煤大省，气化原料煤以无烟煤为主，长期以来，晋城优质无烟煤广泛应用于全国各地的固定床气化炉，近年来由于环保及淘汰落后产能等方面的原因，固定床气化炉日渐被淘汰；而无烟煤的灰熔点较高，用于耐火砖气化炉时，由于耐火砖使用寿命较短以及无烟煤价格高企等原因，国内水煤浆气化炉基本上不采用无烟煤。丰喜临猗分公司晋华炉主要采用神木煤，近年来耐火砖晋华炉改成水冷壁晋华炉后，逐步试烧山西本地煤，且为拓宽晋华炉原料煤煤种的适应性、降低生产成本，丰喜临猗分公司多年来开展了多煤种试烧（掺烧或单烧）工作，以利晋华炉的推广应用，尤其是在传统煤化工装置技改项目与新建中型煤化工装置中，晋华炉的比较优势较为明显，不失为一种经济适用、效能良好、煤种适应性广的新型气化炉。以下对有关情况作一介绍。晋华炉的设计原料煤煤种晋华炉属于水煤浆加压气化工艺之一种炉型，水煤浆的成浆质量直接影响其气化效率，丰喜临猗分公司第一代晋华炉初始设计的煤种为陕西榆林气煤，原料煤煤质极限指标如下。）入炉煤分析数据：挥发分（）、固定碳（）、灰分（）、内水（）、全水（），低位发热量 ，灰熔点（流动温度 ），哈氏可磨性指数 ，煤浆浓度 ，煤结焦特性为中等。）入磨煤机原料煤粒 度 指 标：粒 径 的通过率 ，粒径 的通过率 ，粒径 的通过率 ，粒径 的通过率 。）入 晋 华 炉 煤 浆 指 标：粒 度 目（）的通过 率 ，粒 度 目（）的通过率 ，粒度 目（）的通过率 ，粒度 目（）的通过率 ，粒度 目（）的通过率 。原料煤煤质对晋华炉运行的影响分析 挥发分煤的挥发分，即煤在一定温度下隔绝空气加中 氮 肥第 期热的逸出物（气体或液体）减掉水分后的含量。不同煤矿的煤炭品质不一，挥发分也有差异。如果煤的挥发分过高，会导致煤无法燃烬而燃烧损失增加，降低晋华炉的热效率；如果煤的挥发分过低，会使着火推迟，造成煤炭不完全燃烧而损失增加。对于晋华炉而言，最佳挥发分为 。固定碳固定碳是煤中除去水分、灰分、挥发分、硫之外剩余的可燃物质，结合煤炭供应等因素，适宜于晋华炉的煤的固定碳含量在 。灰分煤的灰分是不能燃烧的且为煤炭中必含的成分，灰分越少越好。结合晋华炉的实际运行情况及排渣经验，适宜于晋华炉的煤的灰分 。水分煤中存在的水分根据其结构状态的不同，分为内在水分和外在水分，两者之和称为全水分。煤的内在水分（简称内水）是影响成浆浓度的关键因素，煤的内水低，可以制成浓度较高的水煤浆，适宜于晋华炉的煤的内水；煤的外在水分（简称外水）虽然对成浆浓度没有多大影响，但会间接地影响水煤浆的浓度，适宜于晋华炉的煤的外水，控制全水 。低位发热量煤的热值分为低位发热量和高位发热量，对于水煤浆气化炉而言，煤的低位发热量更具现实意义。结合晋华炉的实际运行情况，煤的低位发热量控制在 为宜。灰熔点固体燃料中的灰分达到一定的温度后会呈现变形、软化、半球、流动四种状态，煤的灰熔点指的是灰分熔点的高低；煤炭是各种矿物质组成的混合物，没有固定的灰熔点，只有一定的范围。对于晋华炉而言，灰熔点（流动温度 ）在 范围内为最佳，操作温度控制在 （）以上 为宜，即 。哈氏可磨性指数煤的可磨性是在规定的条件下其磨成粉的难易程度。丰喜临猗分公司气化用煤通过棒磨机（加水及添加剂等）磨成煤浆，适宜于晋华炉的煤的哈氏可磨性指数在 。结焦特性煤的结焦性虽不是晋华炉运行的硬性指标，但结焦性好的煤，其粘结性必定也好，煤的粘结性与结焦性是既有联系又有区别的，煤的粘结性是煤是否具有结焦性的前提，在此不作过多的陈述，适宜于晋华炉的煤的结焦性为中等即可。煤浆浓度晋华炉所用煤浆浓度一般控制在 ，过高过低都会对气化造成不良影响。丰喜临猗分公司于 年增设了超细磨机来提高煤浆浓度，现煤浆浓度在 左右。煤浆浓度受原料煤的成浆性、磨煤机的性能、煤浆添加剂的成本等因素的制约，工业生产中煤浆浓度一般不超过 ，且煤浆浓度越高其流动性和稳定性越差，故应在保证煤浆稳定性和流动性的前提下尽可能地提高煤浆浓度。不同原料煤的试烧或掺烧情况 晋华炉掺烧阳泉沫煤试验情况 年 月 日，丰喜临猗分公司开始在台第二代晋华炉（晋华炉）所用神木煤中掺烧阳泉沫煤（阳泉沫煤是丰喜临猗分公司固定床气化炉在上煤过程中筛分产生的，筛分出来的块煤进入固定床气化炉内气化，筛分出来的沫煤主要送至锅炉燃烧产生蒸汽），阳泉沫煤固定碳 、灰分 、挥发分 、低位发热量 ，阳泉沫煤掺烧比例（掺烧煤在混煤中的质量分数，下同）分别为 、，在为期 的试烧过程中，晋华炉炉况基本正常，工艺指标没有大的波动。晋华炉掺烧阳泉沫煤典型运行数据（表）表 晋华炉掺烧阳泉沫煤典型运行数据项 目神木煤 阳泉沫煤掺烧比例 煤浆浓度 煤浆流量 氧气总流量 氧煤比 气化炉壁温 气化炉压力 出炉粗合成气温度 粗合成气中 粗合成气中 粗合成气中 炉渣含碳量 第 期郭文龙等：煤质对晋华炉运行的影响及拓宽煤种适应性试烧总结 试烧情况分析晋华炉掺烧阳泉沫煤比例由 逐步提高至 后，粗合成气中有效气（）含量下降约 ，且有效气中 含量升高、含量降低；由于有效气（）含量降低了，从而影响了合成氨的产量，每天减产约 。另外，由于掺烧了灰熔点高的阳泉沫煤，单炉氧气消耗增加约 （标态，下同），氧煤比增加约 ；炉渣含碳量随着掺烧比例的增大而增高，表明掺烧后煤的燃烧情况较掺烧前差。小结晋华炉（第二代晋华炉）可以掺烧高灰熔点煤，但其掺烧比例不宜过大，因为在掺烧高灰熔点的沫煤后，不仅氧气用量增大，而且有效气（）含量下降。对于同时有固定床气化炉的企业，生产过程中筛分出的高灰熔点沫煤外售市场不太景气的情况下，可以考虑送入晋华炉掺烧，但应根据企业的实际情况和市场行情进行经济效益的综合核算。晋华炉掺烧朔州煤试验情况 年 月 日，丰喜临猗分公司与阳煤集团朔州能源有限责任公司合作，制定在 台第二代晋华炉（晋华炉）所用神木煤中掺烧朔州煤的计划，朔州煤固定碳 、灰分 、挥发分 、低位发热量 ，朔州煤掺烧比例分别为 、和 ，通过 的试烧，晋华炉炉况基本正常。晋华炉掺烧朔州煤典型运行数据（表 ）表 晋华炉掺烧朔州煤典型运行数据项 目神木煤 朔州煤掺烧比例 煤浆浓度 煤浆流量 氧气总流量 氧煤比 气化炉壁温 气化炉压力 出炉粗合成气温度 粗合成气中 粗合成气中 粗合成气中 炉渣含碳量 试烧情况分析晋华炉掺烧朔州煤后，粗合成气中有效气（）含量随着朔州煤掺烧比例的增大而降低，全烧朔州煤后，有效气（）含量较全烧神木煤降低约 ，为维持合成氨产量稳定，生产 （）全烧朔州煤较全烧神木煤增加煤耗约 ；全烧朔州煤后，单炉氧气消耗较全烧神木煤增加约 ，氧煤比增加约 ；从炉渣含碳量来看，掺烧前后变化不大，表明只要控制好晋华炉炉温及其他主要工艺参数，朔州煤（全烧）完全适用于晋华炉。小结本次试烧表明，在不掺烧其他低灰熔点煤种及添加助熔剂的情况下，朔州高灰熔点煤在晋华炉上完全能够进行气化，且系统运行安全、平稳，表明晋华炉（第二代晋华炉）对煤种的适应性较强。晋华炉掺烧塔山煤试验情况 年 月 日，丰喜临猗分公司与同煤集团开始合作开展工业试验，在 台第二代晋华炉（晋华炉）所用神木煤中掺烧同煤集团的塔山煤，塔山煤固定碳 、灰分 、挥发分 、低位发热量 ，塔山煤掺烧比例分别为 、，通过 的试烧，晋华炉炉况基本正常。晋华炉掺烧塔山煤典型运行数据（表 ）表 晋华炉掺烧塔山煤典型运行数据项 目神木煤 塔山煤掺烧比例 煤浆浓度 煤浆流量 氧气总流量 氧煤比 气化炉壁温 气化炉压力 出炉粗合成气温度 粗合成气中 粗合成气中 粗合成气中 炉渣含碳量 试烧情况分析晋华炉神木煤中掺烧塔山煤后，粗合成气中有效气（）含量随着塔山煤掺烧比例的中 氮 肥第 期增大基本上保持稳定；全烧塔山煤后，煤浆浓度大幅提升，这对晋华炉的运行是非常有利的；从炉渣含碳量来看，掺烧前后变化不大，表明塔山煤完全适用于晋华炉。小结本次试烧表明，在不掺烧其他低灰熔点煤种及添加助熔剂的情况下，同煤集团塔山高灰熔点煤在晋华炉（第二代晋华炉）上完全能够进行气化，且系统运行安全、平稳，表明同煤集团塔山矿的洗煤作为晋华炉原料煤是没有问题的。而且，塔山煤原料成本低，用作气化原料经济性较好，采用 塔山煤作为气化原料，粗略估算可以使吨氨用煤成本最少降低 元。但由于地域方面的原因，总体上塔山煤的到厂价不比神木煤有优势，因此丰喜临猗分公司后续并未掺烧塔山煤，有地域优势的兄弟企业可以综合考量是否掺烧此类高灰熔点煤。晋华炉掺烧余吾煤试验情况 年 月 日，丰喜临猗分公司开始在台第二代晋华炉（晋华炉）上进行工业试验，在所用神木煤中掺烧潞安集团的余吾煤，余吾煤固定碳 、灰分 、挥发分 、低位发热量 ，余吾煤掺烧比例分别为 、，通过近 的试烧，晋华炉炉况基本正常。晋华炉掺烧余吾煤典型运行数据（表 ）表 晋华炉掺烧余吾煤典型运行数据项 目神木煤 余吾煤掺烧比例 煤浆浓度 煤浆流量 氧气总流量 氧煤比 气化炉壁温 气化炉压力 出炉粗合成气温度 粗合成气中 粗合成气中 粗合成气中 炉渣含碳量 试烧情况分析晋华炉神木煤中掺烧余吾煤后，粗合成气中有效气（）含量随着余吾煤掺烧比例的增大基本上保持稳定；全烧余吾煤后，煤浆浓度大幅提升，这对晋华炉是非常有利的；从炉渣含碳量来看，掺烧前后变化不大，表明余吾煤完全适用于晋华炉。小结本次工业试烧表明，高含碳量、高灰熔点余吾煤用于晋华炉（第二代晋华炉）气化是可行的，潞安集团余吾煤完全适用于晋华炉，本次成功试烧对下一步试烧高含碳量和低挥发分的煤种具有重要的意义。原料煤掺烧效益分析煤价随市场行情会有所波动，最终的效益要根据企业的实际采购情况和消耗情况进行综合分析。以丰喜临猗分公司最近的生产情况为例，神木煤到厂含税价为 元 、余吾煤到厂含税价为 元 ，晋华炉生产线按吨氨煤耗 计，则生产 合成氨采用神木煤的原料煤成本为 元、采用余吾煤的原料煤成本为 元，仅原料煤成本这一项，全烧余吾煤吨氨可节约生产成本 元，按晋华炉所属合成氨装置产能 计，则全烧余吾煤全年可节约原料煤成本约 万元。结束语鉴于我国煤炭资源地域分布不均且煤质千差万别，以及煤化一体化发展要求，为适应市场要求，需拓宽晋华炉的适用煤种，这是其高质量发展的必由之路。多次为拓宽晋华炉煤种适应性而开展的掺烧试验，不仅有利于丰喜临猗分公司的降本增效，而且更是切实地肩负起了晋华炉的推广示范任务 使晋华炉煤种适应性广、气化效率高、污染物排放少、高效洁净、运行平稳的特点得以展示，这对推动我国煤气化技术的发展与进步具有重要意义。随着多种原料煤在晋华炉上的成功试烧，其可望在煤气化领域大放光彩，助力煤化工产业的转型与优质发展。参考文献 张继臻，种学峰煤质对 气化装置运行的影响及其选择（上）化肥工业，（）：王旭宾水煤浆气化装置运行状况及问题探讨 化工生产与技术，（）：第 期郭文龙等：煤质对晋华炉运行的影响及拓宽煤种适应性试烧总结