何圣龍

(陜西長(zhǎng)青能源化工有限公司， 陜西寶雞 721405)

陜西長(zhǎng)青能源化工有限公司是由徐礦集團(tuán)、陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司、寶鋼金屬有限公司及南京誠(chéng)志清潔能源有限公司共同參股組建的大型現(xiàn)代煤化工企業(yè)。公司150萬(wàn) t/a 煤制甲醇項(xiàng)目中，規(guī)劃一期產(chǎn)能為60萬(wàn) t/a，產(chǎn)品品質(zhì)為優(yōu)等品。其中氣化裝置采用德士古(GE)氣化工藝，分為煤漿制備、氣化工藝及渣水處理3個(gè)階段，生產(chǎn)運(yùn)行模式為2開(kāi)1備，單爐投煤量為1 700 t/d[1]。自2013年5月投產(chǎn)至2017年以來(lái)，精甲醇產(chǎn)量保持在70萬(wàn) t/a。對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行情況分析發(fā)現(xiàn)，氣化裝置受限于煤質(zhì)質(zhì)量，一直存在著設(shè)備磨損嚴(yán)重、檢修頻繁、氧耗和煤耗高及管道泄漏等問(wèn)題。為此，公司采取優(yōu)化煤質(zhì)、技術(shù)改造及精細(xì)管理等舉措，得到良好效果。精甲醇年產(chǎn)量持續(xù)穩(wěn)步攀升，2019年突破紀(jì)錄，達(dá)到了81.5萬(wàn) t/a。

1 存在問(wèn)題

GE氣化工藝的煤質(zhì)要求指標(biāo)為：發(fā)熱量≥25 MJ/kg、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤15%[2]、全水質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤14%、內(nèi)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤5%、灰熔點(diǎn)<1 300 ℃。2013—2016年，受限于煤質(zhì)質(zhì)量的影響，公司氣化煤煤質(zhì)指標(biāo)為：灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)>14%、灰熔點(diǎn)為1 270～1 350 ℃、發(fā)熱量為23～24 MJ/kg。煤質(zhì)不符合工藝指標(biāo)，使得氣化工藝頻繁出現(xiàn)一系列問(wèn)題，導(dǎo)致氣化爐運(yùn)行周期為50～55 d。

1.1 錐底磚磨蝕

當(dāng)煤炭灰熔點(diǎn)升高時(shí)，氣化爐爐膛操作溫度隨之升高，高溫環(huán)境下的液態(tài)渣流動(dòng)時(shí)將加劇磨蝕、沖蝕耐火磚和錐底磚，導(dǎo)致氣化爐使用壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)，增大了設(shè)備運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 下降管超溫

錐底磚磨蝕損壞，液態(tài)渣在下降管內(nèi)壁易形成掛渣，造成下降管超溫，降低了設(shè)備的自我保護(hù)能力，從而縮短錐底磚使用壽命，增加檢修頻次。

1.3 氧耗和煤耗高

當(dāng)煤炭灰分含量和灰熔點(diǎn)高時(shí)，為保證液態(tài)渣的正常流動(dòng)，需要提高煤炭和氧氣的投入量。如此，一方面會(huì)造成噸甲醇氧耗和煤耗升高，增加生產(chǎn)成本；另一方面降低了有效工藝氣流量，使得氣化反應(yīng)效率降低。

1.4 設(shè)備磨蝕損壞和管道沖蝕泄漏

當(dāng)煤炭投入量一定時(shí)，煤炭灰分含量升高，氣化燃燒產(chǎn)生的粗渣逐漸變多，造成撈渣機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，運(yùn)行后期刮板和鏈條磨損嚴(yán)重，易導(dǎo)致?lián)圃鼨C(jī)故障率升高。此外，灰水和黑水中的固含量升高，高速流動(dòng)的液體會(huì)對(duì)管道和閥門(mén)造成沖蝕。其中，黑水角閥泄漏較為頻繁，處理該問(wèn)題需要減負(fù)荷或泄壓停車(chē)，會(huì)嚴(yán)重影響氣化工藝運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2 原因分析

2.1 煤炭灰分

灰分是指煤在一定溫度下完全燃燒后生成的殘留物，屬于無(wú)用物質(zhì)。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤炭灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變大時(shí)，必須提高氣化爐溫度至煤炭灰熔點(diǎn)以上，才能保證液態(tài)渣的穩(wěn)定流動(dòng)。為保持足夠的反應(yīng)溫度，必須增加氧耗和煤耗，使得部分碳完全燃燒生成二氧化碳，導(dǎo)致合成氣(CO+H2)減少，降低了氣化反應(yīng)效率。研究表明[3]：氣化反應(yīng)條件一定時(shí)，煤炭灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1%，氧耗和煤耗分別增加0.7%～0.8%和1.3%～1.5%。此外，當(dāng)煤炭灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變高時(shí)，渣水處理過(guò)程中產(chǎn)生的廢水固含量變大，加大了燒嘴和耐火磚的沖蝕和磨蝕，易造成管道損壞和泄漏，縮短了設(shè)備的使用壽命，嚴(yán)重影響了氣化工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 煤炭水分

煤炭水分分為游離水和化合水。游離水對(duì)氣化工藝幾乎無(wú)影響，但會(huì)增加運(yùn)輸成本；化合水在煤中以化學(xué)形式存在，主要影響水煤漿的性能。當(dāng)化合水增大時(shí)，水煤漿流動(dòng)性降低，但是煤漿泵要求水煤漿具有低黏度特性，所以只能降低水煤漿濃度。降低水煤漿濃度會(huì)對(duì)氣化工藝產(chǎn)生三方面影響：(1) 水煤漿濃度低，氣化燃燒蒸發(fā)水分的熱量增加，增大了煤耗和氧耗，降低了氣化效率；(2) 水煤漿流量一定時(shí)，其濃度越低，燃燒反應(yīng)生成的有效工藝氣成分越少，可降低生產(chǎn)系統(tǒng)負(fù)荷；(3) 工業(yè)生產(chǎn)中主要采取投入添加劑的方式來(lái)增大水煤漿濃度，當(dāng)水煤漿濃度越低時(shí)，需要投入添加劑的量越大，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加。

2.3 煤炭灰熔點(diǎn)

GE氣化工藝采用液態(tài)排渣方式，當(dāng)氣化爐溫度比灰熔點(diǎn)高30～50 ℃時(shí)，有利于提高排渣和碳轉(zhuǎn)化率。研究表明：隨著煤灰熔點(diǎn)的增加，氣化爐操作溫度升高，這不僅會(huì)加劇液態(tài)渣對(duì)耐火磚的沖刷性，降低其使用壽命，而且會(huì)增加氧耗和煤耗。研究發(fā)現(xiàn)[4]:氣化爐操作溫度每升高50℃，耐火磚沖蝕速率將提高1倍。因此，氣化反應(yīng)燃燒必須選用灰熔點(diǎn)較低的煤種，以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

2.4 煤灰黏度

黏度是衡量流體流動(dòng)特性的主要指標(biāo)，氣化爐內(nèi)的液態(tài)渣主要以熔融形態(tài)排出。當(dāng)灰渣黏度增大時(shí)，液體流動(dòng)性降低，不利于排渣；當(dāng)灰渣黏度減小時(shí)，會(huì)加劇其對(duì)耐火磚的沖蝕性。研究表明[5]:氣化爐操作溫度下灰渣黏度為20～30 Pa·S時(shí)最佳，不僅有利于耐火磚表面形成掛渣以對(duì)耐火磚起到保護(hù)作用，而且有利于灰渣的排出。

2.5 煤炭揮發(fā)分

煤炭揮發(fā)分是指煤加熱反應(yīng)后產(chǎn)生的揮發(fā)有機(jī)物及其分解產(chǎn)物，是衡量煤變質(zhì)的重要指標(biāo)。當(dāng)煤炭揮發(fā)分越高時(shí)，煤化程度越低，表明煤質(zhì)年代越短，反應(yīng)性越好，有利于氣化反應(yīng)。

3 解決措施及效果

基于上述研究表明，煤炭的灰分和灰熔點(diǎn)對(duì)氣化工藝影響較大，主要涉及生產(chǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定性和精甲醇產(chǎn)品品質(zhì)。基于此，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和分析，采取優(yōu)化煤質(zhì)、技術(shù)改造及細(xì)化管理等措施，保障氣化裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步提高甲醇產(chǎn)量。

2017年至今，氣化煤控制煤質(zhì)指標(biāo)為：發(fā)熱量≥25 MJ/kg、灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)<12%、內(nèi)水質(zhì)量分?jǐn)?shù)<5%、固定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)>55%、灰熔點(diǎn)為1 230 ℃。具體措施為：(1) 煤質(zhì)如滿(mǎn)足控制指標(biāo)，則采購(gòu)全水低、揮發(fā)分高、有害物質(zhì)低及可磨指數(shù)高的煤炭，便于提高氣化反應(yīng)效率；(2) 進(jìn)廠煤炭全部采用人工和機(jī)器隨機(jī)采樣分析對(duì)比方式，全程跟蹤監(jiān)控，合理配比氣化煤質(zhì)，氣化煤質(zhì)合格率從34%提高至93%，最高可達(dá)99.37%；(3) 利用校企合作平臺(tái)，通過(guò)技術(shù)改造，優(yōu)化煤漿添加劑比例，使得水煤漿質(zhì)量濃度從58.5%提高至63.5%。

3.1 煤質(zhì)對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的影響

2017—2019年，氣化煤發(fā)熱量不斷增加，灰分和灰熔點(diǎn)逐漸降低，不同年份下煤質(zhì)的特性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 氣化煤質(zhì)特性參數(shù)表

隨著煤質(zhì)不斷變好，氣化工藝生產(chǎn)系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定，生產(chǎn)效率不斷提高，具體表現(xiàn)為：(1) 氣化爐耐火磚使用壽命由11 000 h提高至14 000 h，可能因?yàn)橐簯B(tài)渣中鉻質(zhì)量濃度從182 μg/g降低至113 μg/g，使得爐渣對(duì)耐火磚的沖蝕性降低，從而延長(zhǎng)了耐火磚的使用壽命；(2) 煤灰分降低，減小了爐渣對(duì)管道、燒嘴及閥門(mén)等裝置的磨損，燒嘴使用壽命由50 d提高至77 d，從而降低了設(shè)備故障率和設(shè)備檢修頻率，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)工藝的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行；(3) 氣化燃燒反應(yīng)生產(chǎn)的合成氣(CO+H2)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由78.5%～79%提高至80%～81.5%，甲醇產(chǎn)量增加了60 t/d，提高了生產(chǎn)效益。

3.2 煤質(zhì)對(duì)甲醇產(chǎn)量及原料消耗的影響

煤炭灰分對(duì)粗甲醇日產(chǎn)量的影響見(jiàn)圖1，煤炭灰分對(duì)噸甲醇氧耗和煤耗的影響見(jiàn)圖2。

圖1 煤炭灰分對(duì)粗甲醇日產(chǎn)量的影響

圖2 煤炭灰分對(duì)噸甲醇氧耗和煤耗的影響

結(jié)合圖1和圖2發(fā)現(xiàn)：在2016—2019年期間，隨著煤中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小，粗甲醇日產(chǎn)量逐漸增大，從2100 t增加至2 400 t；此外，隨著煤灰分的減小，噸甲醇耗氧和煤耗量逐漸降低，分別減小了102 m3/t和0.13 t/t，節(jié)約了生產(chǎn)成本。結(jié)果表明：公司采用優(yōu)質(zhì)氣化煤，不僅提高了甲醇日產(chǎn)量，同時(shí)也節(jié)約了原材料消耗；此外，設(shè)備故障率降低，氣化工藝生產(chǎn)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行由50 d增加至110 d，最長(zhǎng)可達(dá)126 d。因此，氣化優(yōu)質(zhì)煤對(duì)煤制甲醇工藝的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)起著決定性作用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)探究氣化煤質(zhì)對(duì)煤制甲醇?xì)饣癄t的影響，研究了煤的灰分、水分、灰熔點(diǎn)、黏度以及揮發(fā)分等特性對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的影響，采取優(yōu)化煤質(zhì)、技術(shù)改造及細(xì)化管理等多方面措施，實(shí)現(xiàn)了“增產(chǎn)、降本”的目標(biāo)，保障了生產(chǎn)系統(tǒng)的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)同行業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義。