灰分在煤气化过程中的影响及解决方案

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研究与探索Research and Exploration ·理论研究与实践
中国设备工程 2020.05 (下)
1 水煤浆气化装置简介
中海石油华鹤煤化有限公司气化装置采用水煤浆加压气化技术，包括制浆、气化、渣水处理三个工序。

通过多年的生产研究，技术相对纯熟，不断完善工艺流程中的细节，节约成本，提高生产质量，煤气化产业未来的发展仍有很大空间。

2 灰分和灰熔点的概念
2.1 灰分的来源及组成
灰分是无机物，产生于煅烧的残留物或烘干的剩余物，煤气化生产过程中的灰分，是指煤样完全燃烧后剩下的残渣。

灰分主要来自煤中的矿物质。

煤中的无机矿物质经高温灼烧后，均变为金属和非金属的氧化物及盐类。

2.2 灰熔点
煤灰熔融性是指煤灰在高温下达到熔融状态时的温度。

煤灰是一种多组分的混合物，没有一个固定的熔点，可以测量一个所有组分熔融的温度范围，这个温度范围就是灰熔点。

煤样在加热中，随着温度的升高，从局部熔融到全部熔融，会伴随产生一定的特征物理状态，分别为变形、软化、半球和流动。

通常用灰锥加热法测定这四个特征物理状态对应的温度来表征灰熔点。

3 灰分对气化运行的影响
3.1 热量损失
根据气化炉热量衡算结果（表1）可知：每吨煤，灰渣（包括残炭和灰分）带出热量为180.01MJ，是水煤气带出热量的1/20。

这部分热量损失虽不可避免，但是，可以通过减小灰分含量控制热量损失，以保证系统积累更多的热能，
灰分在煤气化过程中的影响及解决方案
张强
（中海石油华鹤煤化有限公司，黑龙江 鹤岗 154100）
摘要：煤气化生产工艺过程中，由原料煤和生产过程中产生的灰分，对气化系统影响较大，如何通过煤种中含有的灰分成分和比例，进而测量灰熔点等数值，更加高效稳定的进行生产，对煤气化的发展和完善有着深远的意义。

通过对气化装置运行情况的检测和实验，进行总结。

本文通过对灰分在气化系统生产运行的影响进行分析，探讨了相应的解决办法和应对措施。

关键词：煤气化；灰分；灰熔点
中图分类号：TQ541 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2020）05（下）-0248-02
有效改善气化系统长期以来外送粗煤气温度低的问题，从而提高水汽比和变换反应效率。

3.2 设备及管线磨损
灰分含量高，加剧了对运转设备、管线、阀门的磨损程度。

生产过程中，捞渣机刮板和链条经常出现故障，导致气化炉减负荷运行抢修；澄清槽底流泵至真空过滤机管线经常磨穿；激冷水泵出口平衡管发生泄漏，需要倒泵隔离焊接。

3.3 水质恶化造成结垢、堵塞
灰分进入激冷室后，被工艺气夹带至洗涤塔内，导致塔盘积灰结垢；洗涤塔内高灰分水质再被激冷水泵送至气化炉，使激冷环和激冷水管线堵塞，进而造成气化炉补水量不足，液位不稳，引发工艺气带水带灰，如此恶性循环，水质恶化，直接导致系统经常出现结垢和
堵塞情况。

图1 气化炉内环隙堵塞情况
表1 气化炉热量衡算结果（MJ ·t -1）
带入热量和反
应放热
水煤浆带入显热93.43C、CO 燃烧放热
6449.18变换放热54.05总计6596.66带出热量和反应吸热
水汽化潜热874.25水蒸汽分解吸热762.34二氧化碳还原吸热1000.61灰渣带出热量180.01水煤气带出热量
3686.13总计
6503.34
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工程
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3.4 合成气带灰
合成气带灰，造成气化炉出口合成气管线、文丘里洗涤器、洗涤塔塔盘、除沫器等位置结垢严重，导致气化炉操作压力不稳定，炉温波动；洗涤塔洗气效果差，入下游变换工段粗煤气的灰含量超标；塔盘堵塞造成变换冷凝液无法与气相充分接触，使大量的水被带回变换工段，极易导致水淹催化剂，使催化剂失活。

气化炉合成气管线三个温度表和三个压力表被积灰覆盖，主要表现为温度升高、压力降低且反应不灵敏，容易触发T5和T21联锁而停车，加速设备的损耗。

3.5 能耗及效益
灰分是煤中不直接参加气化反应的惰性物质，灰分过高时，碳表面被灰分覆盖，气化剂与碳表面的接触面积减小，降低了气化效率。

灰分的熔化还要消耗煤在气化反应过程中的大量热能，为了保证气化炉液态排渣和热量平衡，需要增加氧量来燃烧更多的碳原子。

气化的各项消耗指标均增加，如煤耗、氧耗、助溶剂和添加剂加入量。

此外，设备管件的损耗、检修频率、气化炉运行周期、耐火砖寿命、开停车次数、煤浆稳定性等都是降本增效的重点，可见灰分对经济效益的影响非常明显。

4 解决方案和效果
4.1 控制石灰石加入量
为了降低灰熔点，系统内加入一定比例的石灰石，经高温分解后成为细小的飞灰，进一步增加了系统灰含量。

如果石灰石的添加量过多，灰渣中的正硅酸钙生成量将增加（灰熔点2130℃），使灰熔点不降反升。

通过检修期间的垢样分析（表2）可以看出，垢片成分绝大部分来自煤灰，而且石灰石是导致灰水加热器堵塞和其他重点检修清洗部位结垢的重要原因。

表2 垢样分析结果项目
C 套灰水加
热器
激冷水管线
550℃灼烧失重，％（有机物、化合水） 4.4910.42550～950℃灼烧失重，％（碳酸盐）
38.457.26酸不溶物，％
（硅酸盐）0.6258.99CaO 含量，％50.818.67MgO 含量，％0.79 1.31Fe 2O 3含量，％0.79 1.50P 2O 5含量，％
0.36
0.44
因此，通过分析数据重点关注灰熔点和灰含量的变化，在保证煤浆灰熔点1300℃和操作温度1350℃
以下的基础上，及时调整石灰石加入量，避免其过多地加入系统，减小对炉砖、管线的冲刷以及对水质的影响。

4.2 洗涤塔塔盘改造
洗涤塔塔盘技术改造，使其洗涤能力大大增强，同时，提高了水汽比。

停车检修时，塔盘和除沫器未出现明显的结垢现象，延长了系统的运行周期。

4.3 灰水加热器改造
通过对灰水加热器的多次拆检，发现内部隔板易变形，造成高压灰水形成回路，且U 形管结垢严重，换热效果差，是导致外送合成气温度低的重要原因。

经改造，把隔板焊接多个支撑件固定，减小了隔板变形的概率；同时，在灰水加热器入口灰水管线增加阻垢器，延缓了换热器结垢的趋势。

4.4 水系统的调整
通过降低气化炉和洗涤塔黑水排放量，从而提高合成气带水量，对气化炉内上升管和下降管环隙以及托砖板进行冲刷和冷却，减小环隙堵塞和托砖板温度升高的现象，同时，加大激冷水量，控制真空过滤机的黑水处理量，保证细渣能够及时排出；严格进行药剂管理，监测水质，保证药剂调节的及时性；加大外排污水量，并持续补充新鲜水，对系统进行清水置换。

4.5 管线的改造和优化
管线的运载和排污作用是安全生产的基础，需要由相关人员进行定时维护和保养，这里不进行深入探讨。

5 结语
灰分的含量和成分一定程度上影响和决定了煤的质量。

煤质是生产中的第一要素，煤质的优劣，对煤气化设备的损耗、产能效益、乃至自然环境都有较大的影响。

我国煤资源储量丰富，煤气化工艺应用广泛，在确保安全生产的情况下，煤气化工艺的进一步发展、完善，对日常生活的需求和社会主义现代化建设都有着极大作用。

通过一线生产人员和科研人员不断的实践和探索，煤气化产业拥有光明的未来和无限的潜力。

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