航天炉全烧高硫、高灰分、高灰熔点劣质无烟煤的研究_孔丽丽.pdf

■ 煤炭深加工 航天炉全烧高硫、 高灰分、 高灰熔点 劣质无烟煤的研究 孔丽丽 山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 天溪煤制油分公司, 山西 晋城 048009 摘 要 晋煤集团天溪公司航天炉全烧高硫、 高灰分、 高灰熔点“三高”劣质无烟煤研究 项目依托晋煤集团启动的天溪公司造气工艺技术改造项目, 用两台 ϕ3. 2 m 的航天炉替代天溪 公司原有的 7 台灰熔聚流化床气化炉; 同时, 对变换系统、 低温甲醇洗系统、 空分系统及公用 工程进行相应的配套改造; 改造后, 系统达到设计产能, 航天炉系统已实现长周期稳定运行; 通过自主实施航天炉系统全烧 “三高” 劣质无烟煤的针对性改造 40 余项, 进一步提高了装置 产能, 延长了气化炉的运行周期, 降低了装置消耗, 实现了 “三高” 劣质无烟煤的洁净化 利用。 关键词 航天炉; 高硫、 高灰分、 高灰熔点; 无烟煤; 洁净化利用 中图分类号 TQ544 文献标识码 A 文章编号 1005-8397202008-0050-05 收稿日期 2020-06-12 DOI 10. 16200/ j. cnki. 11-2627/ td. 2020. 08. 015 作者简介 孔丽丽1984, 女, 山西晋城人, 2009 年毕业于厦门大学物理化学专业, 理学硕士, 晋煤集团天溪煤制油分公司质量检验 部部长。 引用格式 孔丽丽. 航天炉全烧高硫、 高灰分、 高灰熔点劣质无烟煤的研究 [J]. 煤炭加工与综合利用, 20208 50-54. 无烟煤一直是优质的煤化工原料, 晋煤集团 的煤炭资源绝大部分为无烟煤。 然而, 近年来由 于气化技术的创新和发展, 无烟煤作为煤化工用 煤的优质煤种的优势逐渐被削弱[1], 特别是粉煤 气化技术取得的重大进展, 使得无烟煤作为化工 用煤的市场进一步被压缩。 无烟煤由于其机械强 度高、 变质程度高、 反应活性差等特点, 在新型 煤气化领域与其他煤种的竞争中处于劣势。 晋煤 集团天溪煤制油分公司简称天溪公司航天炉全 烧高硫、 高灰分、 高灰熔点 “三高”劣质无烟 煤研究项目就是为晋煤集团无烟煤煤种在新型煤 气化领域的应用开辟一条道路。 晋煤集团拥有丰富的煤炭资源, 是我国主要 的优质无烟煤生产基地。 但是经过六十多年的开 采, 一些矿区的优质无烟煤已近枯竭, 余下大部 分可采煤种均为 “三高” 煤。 目前, 晋城地区 “三高” 煤可采储量约占总可开采储量的 40。 因此, 如何合理利用余煤, 将劣质煤资源化成为 了晋煤集团重要的研究课题。 天溪公司航天炉全烧 “三高” 劣质无烟煤研 究项目依托 2013 年晋煤集团启动的天溪公司造气 工艺技术改造项目, 用两台 ϕ3. 2 m 的航天炉替代 天溪公司原有的 7 台灰熔聚流化床气化炉。 同时, 对变换系统、 低甲系统、 空分系统及公用工程进 行相应的配套改造[2-4]。 改造后航天炉装置日处理 煤量 1 600 t, 甲醇产量 35 万 t/ a, 装置年运行周 期 330 d。 该项目于 2012 年 12 月开工建设, 2014 年 8 月 31 日基本完工, 9 月 24 日第一台航天炉正 式投料试车运行, 10 月 24 日第二台航天炉投料运 行, 甲醇系统开车运行。 目前系统已达到设计产 能, 航天炉系统已实现长周期稳定运行, 已自主 进行航天炉系统全烧 “三高” 煤的针对性改造四 十余项, 进一步提高了装置产能, 延长了气化炉 的运行周期, 降低了装置消耗。 1 航天炉全烧 “三高” 劣质无烟煤研究项目的 优化设计 航天炉全烧 “三高” 劣质无烟煤研究项目的 05 煤炭加工与综合利用 COAL PROCESSING 2扩大了气化炉渣口, 以应对 “三高” 无 烟煤较高的灰熔点, 保证排渣顺畅; 3放大了排渣及灰水系统部分尺寸, 以应 对 “三高” 无烟煤较高的灰分; 4自主优化改造易磨损泄漏的部位, 大大 提高了关键设备、 管道的运行周期; 5对工艺运行参数进行大量针对性的调整, 建立数据对比分析系统, 生产消耗明显降低。 1. 1 初始挂渣 航天炉采用水冷壁结构, 采用以渣抗渣的方 式保护水冷壁盘管[6]。 航天炉初始开车时, 为保 证水冷壁在裸壁状态下不损坏, 均采用灰熔点较 低的褐煤进行原始挂渣。 天溪航天炉装置在试车 投运前, 设计院提供的方案及意见也是采用褐煤 进行初始挂渣, 初始挂渣结束后再转为使用 “三 高” 无烟煤进行生产运行。 针对其他装置的运行工状, 并对大量煤种进 行了采样, 通过煤质分析比对晋煤集团的内部 煤种以及部分褐煤煤种, 分析判断如按设计院 的方案进行初始挂渣将在投产运行后面临逐步替 换渣层的困难, 而且周期比较长, 会直接影响到 以后天溪航天炉装置的长周期稳定运行。 经过多 方的数据论证, 对其他航天炉装置进行了大量调 研, 决定采用运行煤种 凤矿高硫末煤进行初 始挂渣。 由于没有使用无烟煤初始挂渣的运行经 验, 对各环节进行了充分的事故预想, 自行制定 了详实的无烟煤初始挂渣方案。 2014 年 9 月 24 日, 天溪装置的航天炉国内 首次采用无烟煤进行初始挂渣一次投料挂渣成 功。 又针对第一台航天炉挂渣密实度不是很理想 的状况, 对第二台航天炉的初始挂渣方案进行了 调整优化, 10 月 24 日第二台航天炉采用高硫无 烟煤初始挂渣成功。 至 2020 年, 两台气化炉已 运行近 6 年, 主盘管状况良好, 炉膛温度平稳, 炉膛打开观测到渣层平滑密实, 挂渣状况良好。 1. 2 磨煤系统 粉煤加压气化技术均需要微米级的粉煤作为 原料, 而由于无烟煤机械硬度比较高, 磨煤系统 的运行压力很高, 其余装置在磨无烟煤时粉煤粒 径长期不达标。 航天炉对粉煤粒径的要求是 5 90 μm 占比不小于 90。 表 2 为代表国内已运行的航天炉装置的典型 工况的某航天炉装置的煤种及可磨性指数、 粒径 指标分布关系。 表 2 某航天炉装置的煤种及可磨性指数、 粒径指标分布关系 煤种可磨性指数590 μm 粉煤占比/ 100神木煤65757585 70神木煤30无烟煤55656575 100无烟煤40504555 粉煤粒径指标直接影响到入炉粉煤的比表面 积, 而比表面积的大小又直接决定了气化效率的 高低[7]。 然而, 国内的磨煤系统在磨哈氏可磨性 指数较低的无烟煤时指标迅速下降, 且磨机故障 率较高, 出力明显降低。 天溪公司采用的煤种为哈氏可磨性指数仅为 42 的典型无烟煤由于 “三高” 无烟煤较高的灰 分, 导致其可磨性指数在无烟煤中也是最低 15 2020 年第 8 期孔丽丽 航天炉全烧高硫、 高灰分、 高灰熔点劣质无烟煤的研究 ChaoXing 的[1], 即最难研磨的煤种, 在运行之初也面临 与其他装置的类似问题。 经过对运行过程的研 究, 不断调整运行参数, 实现磨煤系统的平稳运 行, 在保证磨机设计出力的情况下使 5 90 μm 的粉煤占比稳定至 75以上。 主要的设备改造、 运行参数调整如下 1将磨机运行时的磨辊加载力提升至 9. 0 10. 0 MPa; 2降低磨机运行时的磨盘床层高度, 将磨 机压差控制至 45 kPa; 3提升磨机出口旋转分离器转速, 控制在 设计转的 80以上; 4降低磨机运行时的循环风量, 风量控制 在设计风量的 60; 5进一步提升磨机系统运行时的真空度, 控制磨煤系统压力在-4-6 kPa; 6保证磨机系统惰性气体的足量排放, 运 行时惰气排放阀阀位开至 100; 7强化石子煤排放的规范管理, 不仅保证 了石子煤的及时排出, 同时还不会因频繁排放破 坏磨机系统的运行; 8对磨煤机的密封系统进行改造, 确保石 子煤不对密封组件造成磨损, 延长磨机运行周 期。 1. 3 气化系统 全烧无烟煤时面临的主要问题如下 ① 炉 膛渣层不稳定, 炉膛温度波动大, 严重时造成破 渣机堵塞而跳车; ② 主盘管密度波动大, 严重 时能降至安全密度400 kg/ m3以下; ③ 渣口压 差波动大, 严重时造成渣口堵塞; ④ 气化反应 不稳定, 气化炉压力波动大, 产气量波动大。 天溪航天炉装置充分吸取其他航天炉装置运 行的经验, 对大量运行数据进行比对分析, 对运 行思路进行了如下调整 1确保粉煤的供给灰熔点稳定, 保证石灰 石的掺配比例, 对入炉粉煤的灰熔点进行长期持 续检测, 以掌握炉况变化的原因; 2保证三条粉煤给料管线均匀给料, 最大 程度地降低物料流场的人为因素影响, 保证炉内 的流场稳定; 3确保炉内反应温度达到灰渣的熔融温度, 在设备条件允许的情况下尽可能提升炉内的反应 温度, 保证排渣顺畅; 天溪航天炉装置在确定的调整思路下, 持续 对航天炉的运行进行优化。 自开车运行以来, 炉 况优化一直在持续进行, 炉况得到了很大改善, 实现了装置的平稳高效运行。 已基本确定的运行 参数 1提升运行氧煤比, 逐步将氧煤比提升至 0. 900. 95, 确保了炉内的反应温度; 2严格控制合成气组分中的 CH4含量, 控 制 CH4体积分数 50100 μL/ L; 3保证主盘管运行安全, 确定主盘管密度 不小于 450 kg/ m3; 4为进一步保证设备安全, 将汽包循环水 系统总循环量提升至 640 m3/ h; 5严格控制三条煤线均匀给煤, 给煤最大 量差值必须不大于 500 kg/ h。 1. 4 渣水系统 气化炉的渣水系统为浊环系统, 水质的性质 直接由运行煤质以及气化反应的程度所决定。 天 溪项目由于气化反应程度高, 灰水指标要整体优 于其他装置。 由于运行煤种的特殊性, 渣水系统 一直处于弱酸性, 渣水系统运行相对平稳, 但由 于入炉煤中的灰分很高是其他运行煤种的 23 倍, 长周期运行受到一定限制。 针对以上问题 进行了系统优化。 1系统水呈弱酸性, pH 最低下降至 5. 5, 呈腐蚀倾向, 判断为两级闪蒸的闪蒸能力不足所 造成。 对高闪闪蒸槽进行了改造, 扩大了布水板 孔眼的孔隙, 同时调整高闪内部去真闪回水管在 设备内的距离, 对影响闪蒸效果的运行指标进行 了优化调整, 对闪蒸放空系统进行了优化改造。 同时, 通过在气化炉激冷室内部的排水管线增加 汽/ 水分离装置, 减少进入闪蒸系统的煤气夹带 量, 降低闪蒸系统的负荷。 通过改造, 增强了两 级闪蒸的闪蒸效率, 降低了灰水中的酸度, 将 pH 控制在 6. 57. 0。 2对灰水进行了全面的腐蚀测定、 分析, 确定了 pH 控制的目标值为 6. 5 7. 0, 经分析, 该目标值下的腐蚀率 0. 21 mm/ a。 通过与药剂供 应商探讨, 及时调整弱酸性结垢下分散剂的成 分, 有效地将腐蚀率控制在 0. 135 mm/ a。 通过 对 pH、 腐蚀率的综合调整, 开车运行 18 个月实 25 煤炭加工与综合利用2020 年第 8 期 ChaoXing 验结果表明, 沉降槽 2 块碳钢挂片表面无腐蚀结 垢现象, 挂片重量无明显变化。 3为解决渣水系统固体含量高导致部分设 备、 管道中煤泥堵塞严重的问题, 首先通过运行 管理调整进行解决。 提高了激冷水循环量提升 至设计值的 130 , 对易堵部位建立了完善的 运行监控机制, 及时通过负荷调整消除堵塞现 象。 同时, 对易磨损部位进行了材料研究, 使用 新型材料替代原设计的材料。 此外, 通过与专利 提供商的合作, 开始着手对渣水系统进行流程的 优化设计, 从根本上解决渣水系统固体含量高的 问题。 上述主要措施的实施, 大大提高了渣水系 统的运行稳定性, 基本杜绝了由于渣水系统造成 的气化炉停车, 提升了气化炉的运行周期。 经过上述技术优化, 灰水系统排水量降到远 低于设计值。 设计值为 83 t/ h两台炉运行, 实 际外排污水量系统内其他冷凝液不计入为 60 t/ h。 1. 5 节能降耗技术创新 天溪公司航天炉装置运行以来, 通过一系列 的研究, 已完成了下列技术创新 1将高闪闪蒸汽原设计为火炬排放回收 至磨煤系统燃烧。 降低了煤层气的使用量, 磨煤 成本下降 1. 4 元/ t。 2将系统伴热冷凝液、 汽包排污水回收至 渣水系统除氧器, 降低了除氧器的蒸汽使用量, 减少低压蒸汽使用量 2 t/ h。 3将气化炉副产蒸汽减压回收至装置的低 压蒸汽管网原设计回收至中压蒸汽管网, 由于 副产蒸汽的饱和度不够, 只能现场放空, 降低 了低压蒸汽使用量 5 t/ h。 1. 6 环保措施 1对装置内的 5 台粉煤袋式过滤器进行结 构改造, 同时对粉煤的泄压放空进行相应改造。 改造后极大地降低了布袋的损坏率, 现场放空粉 尘含量明显降低, 杜绝了放空气冒黑烟现象。 2对湿渣的排放运输进行改造, 增设高频 脱水筛, 捞渣机捞出的湿渣水分从 50降低至 15, 极大地改善了现场环境, 在湿渣的运输过 程中基本没有黑水和灰渣外流, 提高了运输过程 中的稳定性和清洁性。 2 结果与讨论 天溪全烧 “三高” 劣质无烟煤的航天炉装置 通过运行技术的不断优化调整, 在技术稳定性上 与国内其他成熟的气流床气化技术相当, 装置整 体运行稳定, 以下运行参数要优于其他装置。 1磨煤系统的整体运行状况要优于国内同 等规模装置。 该系统设备选型、 工艺运行参数均 对可磨系数很低的无烟煤做了充分准备, 粉煤粒 径指标在综合考虑可磨性指数的情况下, 在国内 处于领先水平。 2气化系统与国内其他气流床技术相当, 自动化程度高, 炉况稳定可靠, 受 “三高” 煤特 性影响, 在氧耗、 原煤耗等指标上要高于其他气 流床气化装置, 但是由于 “三高” 煤价格低廉, 其综合的经济效益仍略优于其他气化装置。 主要 技术指标对比见表 3。 表 3 天溪装置与其他航天炉装置的主要技术指标对比 项目天溪公司其他航天炉 原料煤耗/ tkm -3 0. 650. 62 氧耗/ m3km -3 370335 电耗/ kWhkm -3 46. 744 粗渣残炭/ 33 细渣残炭/ 3555 粗细渣比例2 ∶ 14 ∶ 6 碳转化率/ 9799 石灰石耗/ tkm -3 0. 017 注 煤耗、 氧耗、 电耗和石灰石耗均相对于净化气体体积 计算。 3渣水系统的整体运行状况均要优于采用激 冷流程的气流床气化装置。 从表 4 中各项水质关 键指标的分析对比[8]可以看出, 天溪装置的各项 水质指标在国内均处于领先水平, 而且由于煤质 特性所决定的, 使得整个渣水系统为弱酸性, 通 过良好的水质管控, 不但使得系统几乎不存在腐 蚀现象, 而且有效地抑制了系统的结垢速率。 表 4 天溪装置与其他航天炉装置的主要水质指标对比 分析项目天溪装置指标 其他航天炉装置指标 pH6. 57. 0 8. 09. 0 电导率/ μscm -1 1 2001 500 2 5003 000 总硬度/ mmolL -1 35 10 碱度/ mmolL -1 12 10 ρCl- / mgL -1 120180 150200 ρNH3-N / mgL -1 200 ρCOD / mgL -1 500 浊度 / NTU 50 100 35 2020 年第 8 期孔丽丽 航天炉全烧高硫、 高灰分、 高灰熔点劣质无烟煤的研究 ChaoXing 综上所述, 天溪公司的航天炉全烧 “三高” 劣质无烟煤项目取得了很大的技术进步, 在国内 的气流床气化技术中处于领先水平, 具有很好的 劣质煤洁净化利用的示范意义。 3 结 语 天溪公司航天炉装置在无烟煤的气化利用上 实现了稳定高效运行, 在国内的航天炉装置尚属 首次, 在国内的气流床装置也处于领先水平, 而 且天溪装置使用 “三高” 劣质煤, 不仅为晋煤集 团的无烟煤洁净化利用找到了出路, 而且为山西 省乃至全国的劣质煤洁净化利用起到了很好的示 范作用。 现阶段由于煤炭消费带来的环境污染的压力 越来越大[9], 国家对环保的要求也越来越严格, 因此煤炭消费必须走洁净化利用的道路。 当前的 气流床装置多半采用褐煤。 褐煤由于其高挥发分 和良好的反应活性一直被视为最合适的气流床气 化技术煤种, 但使用褐煤的气流床气化技术的渣 水系统结垢严重[10], 几乎所有装置的外排水量 均要高于设计值才能保证系统的正常运行。 而无 烟煤的煤质特性决定了其渣水系统的水质特征, 在日趋严峻的环保形势下, 无烟煤能成为替代褐 煤作为气流床气化技术煤种的良好选择。 参考文献 [1] 王红林. 适应晋城无烟煤气化的煤气化技术经济分析 [J]. 煤化工, 2020, 481 15-17, 33. [2] 王红林, 楚可嘉, 赵霄鹏, 任江萍. 晋煤集团煤气化技 术应用现状及创新探索 [J].煤炭加工与综合利用, 20158 27-28, 47. [3] 裴 剑. 高 CO 条件下煤气变换系统的优化改造 [J]. 煤炭加工与综合利用, 20178 48-53. [4] 周 光. 低温甲醇洗系统的优化改造 [J].现代化工, 20163 147-149. [5] 孙永才, 刘伟袁. 航天炉粉煤加压气化技术浅析 [J]. 化肥工业, 2010, 371 55-57. [6] 徐平坤. 航天炉用耐火材料的探讨 [J]. 中氮肥, 2019 5 16-20. [7] 郭树才. 煤化工工艺学 [M]. 北京 化学工业出版社, 2006. [8] 袁金刚, 朱继双, 韩 勇, 等. 电絮凝技术处理煤气化 灰水 [J]. 化工环保, 2018, 385 541-545. [9] 郑国华. 新常态下煤化工项目的大气污染防控现状及趋 势 [J]. 煤炭加工与综合利用, 20168 22-24. 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