［收稿日期］2013-09-30
［作者简介］童维风，男，安徽凤台人，助理工程师，从事航天炉煤气化工作。 童维风
（安徽晋煤中能化工股份有限公司，安徽临泉236400）
［中图分类号］TQ 052.71［文献标志码］B ［文章编号］1004－9932（2014）03－0012－03
我公司气化车间原料气的制备采用的是航天
炉粉煤加压气化技术，根据实际情况选择适合航天炉经济、稳定运行的煤种一直是我们努力的任务和方向。通过对原煤水分、灰分、挥发分、固定碳、灰熔点、热值等指标的分析，可以对煤质的性质做出初步判断，确定其应用的范围，达到充分、高效利用煤资源，提高企业经济效益的目的。1
水分对气化过程的影响
根据煤中水分的结合状态，分为内在水分、外在水分和结晶水3大类。水分对气化过程影响主要体现在以
下几方面。
（1）干燥粉煤用的热风炉燃料气消耗增加为满足粉煤的加压输送，避免在输送和贮存过程中产生结块、架桥，磨煤机干燥单元必须控制合格的粉煤水分含量，一般要求粉煤水分含量≤2%（质量分数，下同）。为控制合格的粉煤水分，对于制出相同质量的粉煤，水分越高的原煤消耗量就越多，用于原煤干燥的燃料气消耗量也就越多。根据我公司的实际情况，通过估算，
每烘干1t 水，需耗燃料气约263m 3
，我公司的2套气化装置的日投煤量在1600t 左右，若原煤
水分增加1%，则每天多耗燃料气4208m 3
。
（2）磨机功耗增加
原煤水分越高，对于磨出水分合格的相同质量的煤粉，所需要的原煤量也就越多，磨机的功耗和磨损就会增加。
（3）煤单耗增加
对于气化来说，原煤中的水分增加，也就相对降低了煤中的有效成分，从而增加了原料煤的
消耗。
总之，原料煤中的水分越低越好。因此，要严格控制原料煤的水分，同时原料煤要堆放在煤棚中，避免外来水分进入煤中。2
灰分对气化过程的影响
灰分指煤样在规定条件下完全燃烧后所得的残留物。从气化反应角度来说，灰分在气化反应中是有害而无用的物质，不参加化学反应，也不产生合成气的有效成分，灰分熔融要消耗热量，增大比氧耗和比煤耗。灰分越高，原煤中的有效成分就相对降低，同样的原煤量所产的气量就下降，原料煤消耗就会越高。通过估算，煤种灰分每增加1%，吨氨煤耗就会增加0.1t 。但对于采用以渣抗渣原理的航天炉来说，煤中的灰分尤其重要且具有特殊的意义。
航天炉燃烧室内设有水冷盘管，水冷盘管上有密集的抓钉，用于固定炉内向火面的耐火材料以保护水冷壁的安全运行。在实际运行过程中，单靠耐火材料保护水冷壁是不够的，还要通过气化燃烧后的熔渣被甩到耐火材料上形成相对稳定的隔热层来有效保护水冷盘管的安全运行，因此原煤中必须要有足够的灰分才能够在燃烧后产生足够的渣用于保护气化炉水冷盘管。
粉煤进入气化炉和氧气燃烧后产生的渣一部分进入渣锁斗被排出，一部分进入灰水系统，少量的渣被甩到气化炉水冷壁的耐火材料上，用于保护水冷壁，这部分渣量虽少，但作用却很大。原煤中的灰分过少时，燃烧后形成的渣量少，导致水冷壁耐火材料上无法挂渣，水冷盘管受辐射热较高而使耐火材料损坏，严重时对水冷盘管造成损害，因此，对于灰分较低的煤种，只能采取降低气化炉操作温度的方法维持运行。2013年初，我公司就对灰分较低（5%左右）的新疆黑山煤进
第3期2014年5月中氮肥
M-Sized Nitrogenous Fertilizer Progress No.3May 2014
行试烧，结果导致了气化炉挂渣困难，工况波动大，气化炉只能维持在低负荷运行，消耗较高。
灰分过高会影响原料煤的消耗及增大灰处理系统的负荷，造成产生的灰渣不能及时排出，影响气化装置的正常运行甚至导致停车。2009年4月因煤种更换，灰分高达30%，工艺调整不及时造成淤浆无法及时抽出，最终导致沉降槽积满淤浆，气化装置被迫停车。此外，灰分的增加加速了设备、管道、阀门的磨损，影响其使用寿命，给气化装置长周期稳定运行埋下隐患。
通过几年来航天炉在我公司的实际运行的摸索，适合航天炉的原煤灰分一般要求在10% 15%。
3灰熔点对气化过程的影响
煤的灰熔点是指煤中的灰分达到一定温度以后，发生变形、软化和熔融时的温度，它与煤灰组成有关。
在煤灰成分中，Fe2O3、CaO、MgO、Na2O 及K2O属碱性组分，SiO2、Al2O3及TiO2属酸性组分。一般而言，煤灰中酸性氧化物越多，煤的灰熔融性温度就越高；碱性氧化物越多，煤的灰熔融性温度就越低。
航天炉操作温度一般要求控制在高于煤灰流动温度50 100ħ，以保证气化炉液态排渣的正常。对于低灰熔点（＜1300ħ）的煤，气化炉操作温度可以控制在1400ħ左右，这个温度对于气化炉来说还是比较容易控制的，同时也能有效地保护耐火材料及水冷壁的安全运行，气化炉操作弹性空间较大，像神木地区的煤，就能很好利用；而对于高灰熔点（＞1450ħ）的煤，要想提高操作温度（在其灰熔点以上100ħ操作）难度就会很大，1550ħ对航天炉耐火材料和水冷盘管来说，短时间不会造成损害，但很难维持长周期的安全运行，像晋城的长平煤，灰熔点都在1450ħ以上，很难实现单独试烧。所以，为确保装置安全稳定运行，使用煤种的灰熔点最好在1450ħ以下。
在实际生产中，为追求经济利益的最大化，公司通过不同煤种的混烧达到降低灰熔点的目的。灰熔点＞1450ħ的长平煤和灰熔点在1200ħ的神木煤按合适比例混合时，混煤灰熔点能降到1350ħ，符合航天炉的使用要求；高灰熔点的煤也可以通过添加石灰石来降低灰熔点。在实际生产中添加无效成分石灰
石是不经济的，既增加了设备损耗又增加了煤耗；因此对于经济运行来说，配煤是比较有效的途径。然而在混煤过程中，由于设备、人为等因素的制约很难实现均匀配比，加上煤质本身的波动，在燃烧过程中，操作温度已经超过低灰熔点煤的流动温度，低灰熔点的煤形成玻璃丝，而高灰熔点的煤还没有流动，这就会造成碳的转化率降低，灰渣残炭上升。为追求经济运行就必须提高操作温度，使高灰熔点的煤达到流动温度，这就使得气化炉维持在较高的温度下运行，一旦煤质或煤量出现稍大波动，就会对气化炉工况造成很大影响；因此，气化炉很难在较高的温度下长周期稳定运行，同时炉温高，合成气中CO2含量高，有效气体成分偏低，消耗会有所上升。2012年新疆煤、神木煤掺烧高灰熔点的长平煤时，控制温度较高，合成气中CO2含量高达15%，而低灰熔点的煤单烧或几种低灰熔点的煤掺烧时，合成气中CO2含量在8%左右。鉴于此，在配煤时尽量选择灰熔点较为接近的煤进行混烧，这样有利于气化操作，可以有效降低灰渣残炭，降低消耗。当然，煤场的管理也十分重要，要确保煤分类堆放，不同的煤按不同的比例掺烧，尽量避免煤种和掺烧比例的频繁调整，为气化炉稳定、经济、长周期运行创造条件。
4挥发分对气化过程的影响
挥发分是煤化程度的一种表现。挥发分高，煤炭变质程度低，发热量低，水分高；挥发分低，煤炭变质程度高，其发热量高，密度大，碳含量高。挥发分是煤在900ħ隔绝空气加热7 min所损失的质量，这部分一般认为是煤在燃烧时形成火焰的主要成分。
对于单烧嘴顶喷式的气化烧嘴来说，粉煤从烧嘴喷出后，挥发分就会迅速燃烧释放出大量的热量。挥发分高的煤一般固定碳含量相对偏低，如此，粉煤喷出烧嘴后大量的挥发分迅速燃烧，释放出热量，为固定碳的反应提供更多热能，从而提高了碳的转化率，降低了粗渣的残炭量，有利于煤耗的降低，挥发分越高这种效果就越明显。但对航天炉来说，由于航天炉煤烧嘴采用顶喷式结构，挥发分燃烧释放出的大量热量使烧嘴
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第3期童维风：浅析煤质对航天炉运行的影响
汽化炉处在较高的辐射热中，烧嘴头部容易出现皲裂、泄漏，影响其使用寿命；再者，挥发分过高，燃烧后的火焰刚性差，容易造成气化炉拱顶超温，影响装置的安全稳定运行，所以说煤中挥发分也不宜太高。通过几年的实践摸索，一般要求煤种挥发分控制在30% 35%为宜。
为进一步了解煤的特性，判断煤的性质，我公司对煤的焦渣指数进行了分析，用于指导航天炉气化装置的选煤和配煤工作，以稳定装置运行。根据煤炭热分解以后剩余物质的不同形状，一般将焦渣指数分为以下8类。
（1）粉状。全部是粉末，没有相互黏着的颗粒。
（2）黏着。用手指轻碰即成为粉末状或基本上是粉末状。
（3）弱黏性。用手指轻压即成小块。
（4）不熔融黏结。用手指用力压裂成小块，焦渣上表面无光泽，下表面稍微有银白光泽。
（5）不膨胀熔融黏结。焦渣形成扁平的块，煤粒的界限不易分清，焦渣上表面有明显的银白金属光泽，下表面银白光泽更明显。
（6）微膨胀熔融黏结。用手指压不碎，焦渣的上、下表面均有银白金属光泽，但是焦渣表面具有较小的膨胀泡。
（7）膨胀熔融黏结。焦渣上、下表面均有银白金属光泽，但焦渣高度不超过15mm。
（8）强膨胀熔融黏结。焦渣上、下表面有银白金属光泽，焦渣高度超过15mm。
一般认为1 2类没有黏结性，3 4类为弱黏结性，5 8类有较强的黏结性，但该方法误差较大，人为因素可能会影响结果。焦渣指数在1 2类的煤，由于燃烧后其几乎没黏性，在灰水系统中不易产生黏结，系统长时间运行激冷室内部都不易产生积灰、结渣；3 8类的煤具有黏结性，且类别越高黏结性越强，在灰水系统中越容易黏结、积灰、结渣，造成系统无法长周期安全运行。所以对于有液态排渣的航天炉系统来说，使用的煤种焦渣指数在1 2类较为合适。
对煤的特性要做更深地了解，仅靠煤的常规工业分析和焦渣特性还是不够的，还需要对煤的灰分组成、黏温特性等进行分析。在没有条件对煤作全面分析的情况下，焦渣特性分析对航天炉用煤做初步选择还是有很好的指导意义的。
6热值对气化过程的影响
影响煤的发热量的主要因素是固定碳和挥发分含量的高低。煤的发热量高，对于气化反应来说，相同的煤量所产生的热量也就越多，气化合成气产量也就越高，原煤消耗就会随之降低。
航天炉气化炉结构设计成形后，其各项参数就相对确定，对于煤种使用及热值的利用也就有了一定适应性。粉煤从烧嘴喷出与氧气混合燃烧后，在炉膛停留的时间约5s，由于停留时间短，高热值的煤在炉膛得不到充分利用，这就造成系统粗渣、滤饼残炭升高。热值高的煤使用后原煤消耗会有所下降，但折算成标煤耗时，消耗会明显高于低热值的原煤耗。2013年初，公司航天炉系统对热值较高的新疆
黑山煤（应用基热值在27000kJ/kg左右）进行试烧，试烧后，粗渣、滤饼残炭明显上升，粗渣的残炭由10%升至25%，滤饼残炭也由30%升至45%。
通过实践摸索并考虑到气化装置的经济性，入炉煤应用基热值控制在23000 25000kJ/kg 为宜。
7结语
煤气化的发展日新月异，但都是以煤的本地化、经济化、提高煤炭利用率为导向的，根据实际情况选择适合公司的气化炉炉型，根据炉型选择适合的煤种。
适合航天炉的煤种特性如下：
（1）原煤的水分含量越低越好，一般要求＜15%；
（2）根据气化炉水冷盘管的挂渣需要，同时兼顾气化原煤消耗，原煤的灰分不宜太低或太高，一般在10% 15%；
（3）原煤的灰熔点不宜太高，一般要求在1450ħ以下，1350ħ左右较为适宜；
（4）煤的挥发分一般在30% 35%为宜；
（5）为避免灰水系统积灰、结渣，一般要求原煤的焦渣指数在1 2类；
（6）为了合理、有效地利用煤热能，避免能源浪费，一般要求煤的应用基热值在23000 25000kJ/kg。
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·中氮肥第3期
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