梁青秀， 胡宇锋
(1. 华测检测认证集团股份有限公司， 山东滕州 277527；
2. 浙江石油化工有限公司， 浙江舟山 316000)
联泓(山东)化学有限公司项目以煤为原料、洁净煤技术为核心，采用国内获得专利的具有自主知识产权的煤化工技术，核心装置采用四喷嘴对置式水煤浆加压气化炉。气化装置的主要任务是将来自煤运工序的碎煤(粒度≤10 mm)，经过煤浆制备工序，制备成合格的水煤浆(质量分数≥58%)；
水煤浆经高压煤浆泵加压至7.88 MPa，与来自空分工段的氧气(纯度≥99.6%、压力为8.4 MPa)通过水平均布对置的2对烧嘴进入压力为6.5 MPa、温度为1 350 ℃的气化炉进行反应，生成合成气(CO+H2)(体积分数≥80%)，合成气再送至洗涤系统。原料煤的使用和各项指标的控制是实现安稳长满优生产的关键，所以煤炭的选型和配比掺烧对气化炉的安全、稳定运行有着至关重要的影响。
联泓(山东)化学有限公司使用的煤炭以蒙煤、山西煤、本地高硫精煤为主。蒙煤主要为黄陶勒盖原料煤，单煤试烧可以实现气化炉的运行稳定和安全，但是产气量不高，甲醇产量相应较低；
掺配本地高硫精煤后，产气量较高，甲醇产量也较高。因此，联泓(山东)化学有限公司根据煤炭指标的情况进行不同比例的煤炭掺烧。在选型前，需要采取各地有代表性的煤炭进行工业分析，并定期进行质量跟踪，如果煤种有较大变化或煤层有变化时都视为新煤种，重新进行试烧前的各种分析及小试。煤炭选型的指标有：基础指标全分析(含全水质量分数、工业分析、全硫质量分数、发热量、灰熔点)、元素分析、灰组分、黏温特性、成浆性试验、哈氏可磨性指数(HGI)等。
取样是煤炭选型过程中最重要的环节，样品的代表性占选型的关键因素的70%，如果取样和配煤不具有代表性将会使后面的选型工作毫无意义。煤炭采样应严格按国标执行，执行国标为：GB 475—2008 《商品煤样人工采取方法》。分析数据和各基态符号、结果表述等严格执行GB/T 483—2007 《煤炭分析试验方法一般规定》中的要求。
基础全分析指标是确定用煤量和各配煤指标的关键，气化入炉厂控指标要求为：w(Aad)≤8.00%，w(Mt)≤13.0%，灰熔点(FT)≤1 230 ℃。配煤必须要参考基础指标要求进行比例设定。其中，煤炭的工业分析包含：分析水、灰分和挥发分，从而计算出固定碳的数据。煤的固定碳与挥发分一样，也是表征煤的变质程度的一个指标，随变质程度的增高而增高。固定碳也是煤的发热量的重要来源，所以有地方以固定碳作为煤发热量计算的主要参数，固定碳也是合成甲醇工艺用煤的一个重要指标。
煤炭主要包含固定碳、灰分、挥发分及水，固定碳质量分数的计算公式为：
w(FCad)=100-w(Mad)-w(Aad)-w(Vad)
(1)
根据以上指标及相关国家标准要求，每一批次进厂原料煤炭都要进行基础全分析，每一个新煤种的开发及质量跟踪也都要进行基础全分析，基础全分析指标共8项，各指标煤炭符号及结果见表1。
表1 煤炭基础全分析
煤的元素组成是研究煤的变质程度、计算煤的发热量、估算煤的干馏产物的重要指标，也是工业中以煤作燃料时进行热量计算的基础。煤中有机质主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成。随着环保指标要求的提高，目前对氟元素和氯元素同样有严格要求，所以对这两项的严格控制也有利于外排水指标的控制，方便对外排水的各项指标进行追根溯源。氟元素一般是根据外排水中的氟化物指标要求和经验数据来判断，一般煤炭中的氟化物质量分数要求不高于0.010%，或者不高于常用煤种中氟元素的质量分数。氯元素是根据灰水中氯离子要求指标进行控制并监测，如果某一元素含量过高，就考虑进行几种煤炭配比后进行掺烧。各元素涉及的控制指标详见外排水和灰水指标要求(见表2)。
表2 排水控制指标
煤炭中最多的元素是碳元素，其次是氧元素和氢元素，煤中除无机矿物质和水分以外，其余都是有机质。由于组成煤的基本结构单元是以碳为骨架的多聚芳香环系统，在芳香环周围有碳、氢、氧，以及少量的氮、硫等原子组成的侧链和官能团，如羧基(—COOH)、羟基(—OH)和甲氧基(—OCH3)。原料煤对硫的指标稍微宽一些。水煤气产出的硫化氢经过低温甲醇洗系统的硫化氢浓缩塔进行浓缩后，经甲醇洗涤塔进行洗涤后形成酸性气，送硫回收工段进行三级克劳斯处理，产出硫黄。在对原料煤选型的过程中掺配部分高硫精煤可以提高产气量和有效气含量。煤炭元素分析指标见表3。从表3可以看出：部分配烧的煤种干基含硫质量分数高达2.54%，对进厂含硫质量分数更高的煤也能得到很好的处理。具体使用时还会对掺烧后的煤炭，按新煤种同样的要求进行几个指标的分析。
表3 煤炭元素分析指标
3.1 灰分与煤灰的熔融性和流动性的关系
煤在热转化过程中矿物质转变成灰分，煤炭灰分是目前进厂原料煤炭质量的一个重要核定指标。煤灰成分、熔融特性及黏温特性是气化用煤的一项重要指标。研究煤炭的灰成分可以通过各成分的数据变化，判断灰熔融的状态，一般铝、铁、硅元素含量较高的灰熔融流动温度比较高，钙、钾、钠元素含量反而会通过元素间价键结构特点降低灰熔融流动温度，这些元素都不会单独存在，还有可能因为存在的状态不同，对灰熔融性结构影响也不同[1-4]。同时，煤炭燃烧完被洗涤后形成的灰水，也是重点关注的一个项目。灰分硬度较大会加速沉降槽、洗涤塔及各管道的结垢情况，垢片容易堵塞管道造成停车。因此，灰成分分析也是煤炭选型的一个重要指标。煤炭选型灰成分指标见表4。由表4可以看出：不同地区、不同的煤种，灰成分结果相差比较大。因此，需要通过排放控制指标及选型要求来完成不同比例的煤种的掺烧。
表4 煤炭选型灰成分指标
3.2 黏温特性的最佳选型区间
按排渣方式分类，煤的气化煤炭燃烧工艺可分为固态排渣和液态排渣两大类。液态排渣技术要求操作温度高于煤灰流动温度，且对应温度范围内的黏度为2.5～25 Pa·s或15～50 Pa·s。气化炉采用液态排渣技术，在实际操作过程中需要确定熔渣的出口温度，此时煤灰黏度的特性曲线就能说明灰渣溶化时的动态特性，如果温度低于流动温度或操作温度区间无法达到黏度要求均会导致排渣不畅，反应器无法正常运行。研究煤灰成分对灰熔融性和黏度的影响是非常必要的，这对于特定的煤种能否满足不同排渣方式的气化、燃烧工艺及扩大适用煤种范围具有十分重要的意义。煤灰矿物质组成和化学组成均与上述两种性质有着密切联系。如神树畔煤的排渣操作温度为1 225～1 375 ℃，虽然操作区间够大，但是操作温度上限已超过气化炉的最高使用温度(1 350 ℃)，只能和低灰熔融性的蒙煤配合使用，但是低灰熔点不代表流动性一定好，所以为了使节能减排做得更好，需要在选型的过程中进行筛选。煤炭选型黏温特性曲线见图1。
图1 煤炭选型黏温特性曲线
在气化装置用煤的过程中,煤浆的流动性和稳定性都至关重要，主要涉及浓度、黏度及稳定性试验(析水率和落棒试验)。
2020年10月气化装置反映煤浆流动性差，化验室取回的煤浆黏度达1 000 mPa·s以上。现场煤浆添加剂量不断加大，但效果仍不理想，添加剂质量分数达到了0.8%左右。针对该情况，对所使用的煤种和添加剂进行了成浆性试验研究，发现添加剂量和煤浆浓度有很大关系(见表5)。煤浆质量分数在62.5%左右、添加剂质量分数在0.3%时，煤浆流动性良好。煤浆质量分数在63%左右时，流动性尚可，但黏度较高。针对这个现象，对所有煤炭选型的过程中都增加了成浆性试验项目，对添加剂的配方也做了一定的研究。
表5 煤炭成浆性试验
级配比以试验前1个月的煤浆粒度分析数据的平均值为基准。单煤种或者配比煤种后混匀磨成煤粉后的各级筛的通过物，参考生产实际值，选取不同质量、不同粒度的煤粉质量进行混匀后的煤样，混匀后的煤样对分析水要进行单独分析后再进行浓度、黏度等分析。通过落棒试验和析水率评定煤浆的稳定性。析水率越高，说明煤浆稳定性越差；
玻璃棒能自由落棒到底，说明煤浆比较稳定，硬沉淀越少越好。煤浆的流动性则通过试验观察和黏度综合进行评定。
由表5可以看出：神树畔煤在上述级配比的粒度条件、较高浓度下，流动性和稳定性比较好。在同样的成浆条件下，煤浆添加剂的添加质量分数在1.5%～2.0%都会有较大变化，实验室分析发现，该煤种和之前煤种的成浆性差异较大，低浓度基数配比反而不佳，高浓度基数配比之下，成浆性、8 h稳定性、72 h稳定性都还可以,添加剂量随着浓度的提高有所调整会更好。
HGI是一个无量纲的物理量，反映了不同煤样破碎成粉的相对难易程度。HGI越大，说明在消耗一定能量的条件下，相同量规定粒度的煤样磨制成粉的细度越细。
由于不同的煤浆质量分数和黏度会受粒度影响，同样棒磨条件下，HGI越高越好。对于四喷嘴气化炉来说，HGI在55～65最佳，如果HGI低于55需要考虑掺配使用。HGI的合理控制能使棒磨机在同样的磨棒负荷情况下，得到最优的级配比，提高磨棒的使用寿命，避免断棒现象发生，能有效提高煤浆浓度，提高产气比，从而提高产量，获得更高的效益。各煤种的HGI见表6。
表6 各煤种的HGI
经过煤炭指标选型，即可确定煤炭掺烧的比例。不同的煤炭，其配比不同。目前运行中煤种最佳使用质量比有：1∶3(神树畔煤∶黄陶煤)、1∶5(西湾煤∶黄陶煤)、1∶3∶6(杭来湾煤∶邱集煤∶黄陶煤)。
综合成本分析选取最佳组合、最优价格对煤炭进行比例配煤。选型过程中对灰水的硬度和氯离子含量，外排水的各项控制指标都进行了综合考量，实现多联产、节能减排、清洁生产。装置自建成投产以来，通过强化生产管理、优化生产运行、实施技术创新、挖掘装置潜力等多措并举，实现经济高效运行，长周期、单耗及产能均在设计基础上有较大突破。
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