孙岩
（兖矿新疆能化有限公司，新疆 乌鲁木齐830011）
［摘 要］新疆煤成煤年份短，煤的灰含量和灰成分变化较大，其中，准东煤有价格优势，但同时也具有内水高、氯元素含量高、煤质不稳定等特性，水煤浆气化系统难以采用准东矿区单一煤种，探讨水煤浆气化炉配煤技术具有重要的意义。兖矿新疆煤化工有限公司600 kt/a醇氨联产装置气化系统配置3台多喷嘴水煤浆加压气化炉（两开一备），投运初期经常出现渣口堵塞、下降管烧穿、炉壁超温等问题，后通过精准筛选锁定几种气化用准东煤以及掺配其他矿区煤种，并不断进行优化改进等，实现了气化炉的稳定运行。总结兖新煤化的配煤经验等，分析与探讨气化用煤配比技术、煤中微量元素（氯元素、氮元素）含量及内水含量等对气化系统运行的影响，以及不同配比混煤的气化效果；并指出，新疆煤采用水煤浆气化工艺时，要高度关注气化用煤中微量元素如氯元素和氮元素含量，可通过建立气化用煤及不同煤种配比的数据库，实现入炉煤煤质的相对稳定，以利气化系统的安、稳、长、满、优运行。
［关键词］水煤浆气化炉；气化用煤配比；新疆煤；灰熔点；氯元素含量；氮元素含量；内水；混煤气化效果
［中图分类号］TQ546 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2025）04-0026-04
0 引 言
新疆煤炭预测储量达2.19×1012 t，约占全国总储量的40.5%，居全国第一位。基于优质的煤
炭资源禀赋，新疆提出着力打造“十大产业集群” 为支撑的现代产业体系。这十大产业集群中，煤化工产业的龙头是煤炭的气化。新疆有大量的不黏煤、长焰煤等，据区域不同，煤质存在差异性。新疆煤成煤年份短，煤的灰含量和灰成分变化较大，影响气流床气化（含水煤浆加压气化、粉煤加压气化，属于先进气化技术）系统的运行；新疆准东地区的煤炭具有内水高、氯元素含量高、煤质不稳定等特性，不利于其在气流床气化炉中燃用，采用准东煤的水煤浆气化炉[包括多喷嘴水煤浆气化炉、GE水煤浆气化炉、晋华炉（水冷壁水煤浆气化炉）等]运行过程中存在不少问题，水煤浆气化工艺难以采用准东矿区单一煤种[1]。因此，探讨气流床气化炉尤其是水煤浆气化炉配煤技术，是发展新疆煤化工产业的重要环节。
兖矿新疆煤化工有限公司（简称兖新煤化）600 kt/a醇氨联产装置（产能为300 kt/a甲醇、300 kt/a液氨、520 kt/a尿素）于2012年9月建成投产，其气化系统配置3台多喷嘴水煤浆加压气化炉（两开一备），单台气化炉设计投煤量1 500 t/d，气化炉设计操作压力6.5 MPa、操作温度1 200～1 300 ℃。兖新煤化气化系统投运初期，受原料煤煤质波动大以及操作经验欠缺等方面因素的影响，气化炉经常出现渣口堵塞、下降管烧穿、炉壁超温等问题，导致气化系统故障率高、运行周期短、开/停车频繁，严重影响企业的效益。2015年下半年以来，兖新煤化加大了选煤力度，通过精准筛选锁定几种气化用准东煤以及掺配其他矿区煤种，并不断优化工艺操作、提升运行维护水平、总结生产经验、积极进行优化改进，实现了气化炉的稳定运行[1]。以下基于兖新煤化的配煤经验等，从技术和经济两方面对水煤浆气化炉配煤技术进行分析与探讨，以应对新疆煤煤质多变的现状，通过加强对气化用煤的过程管理，提高原料煤煤质的稳定性，利于气化炉的优质运行，提高企业的经济效益。
1 气化用煤配比技术探讨
1.1 确定气化用煤的标准
新疆部分煤炭存在变质程度低、煤质变化复杂等情况，同一个矿井不同煤层的煤质都不一样，地质结构的变化、采煤方式及布局等因素导致其煤质变化较大，这对新建煤化工装置的生产操作与运行效能均有很大影响。
气化用煤的工业分析指标有全水分、空干基水分、空干基灰分、空干基挥发分、空干基全硫、收到基低位发热量、灰熔点、灰分、灰成分、氯离子含量、氮元素含量等。兖新煤化经过多年的运行总结，水煤浆气化炉用煤典型指标（各企业可根据所在区域的具体情况进行调整）如下：灰分≤10%、硫分≤1%、内水≤3%，低位发热量24～26 MJ/kg，灰熔点（FT）≤1 250 ℃，氯离子含量≤0.05%。
1.2 构建气化用煤配比模型
不同种类煤炭掺配的原理为，通过配煤将不同煤中各种灰成分稀释到适宜的含量，以利控制煤的灰熔点，调节煤灰黏温特性曲线，同时兼顾煤的成浆性（对于水煤浆气化炉而言）和对灰水系统的影响。煤灰是一种非常复杂的物质，目前通行的做法是将灰成分用SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、SO3、TiO2、K2O、Na2O、P2O5、MnO等在煤灰中的含量（质量分数）来表征。煤灰成分决定煤灰熔融特性（灰熔点）和黏温特性，为综合考虑酸/碱氧化物对灰熔点的影响，以硅铝比（即S/A=SiO2/Al2O3）、碱酸比[A/B=（Fe2O3+CaO+MgO+Na2O+K2O）/（SiO2+Al2O3+TiO2）]为参数间接表征灰中各种组分对煤灰黏度的影响。酸性成分有增加灰渣黏度的作用，碱性成分可降低灰渣黏度，但若碱性成分过高，也会导致灰渣黏度增大。简言之，需控制煤灰中各种元素较为均衡，由此可以应对气化炉温度的波动，确保气化炉的安全、稳定运行。气化用煤配比模型主要有如下两种。
1.2.1 基于硅铝比与碱酸比的配煤模型
通过多年的气化用煤配比试验与总结，针对新疆煤煤质特性，建立了入炉煤煤灰成分之硅铝比（S/A）和碱酸比（A/B）与黏温特性曲线之间的关系，即2.0≤S/A≤2.5、0.6≤A/B≤0.9[2]。通过此模型，在各种煤配比掺烧过程中得到简化的煤灰各主要组分适宜的含量为SiO2≤40%、Al2O3≤15%、Fe2O3≤15%、CaO≤15%、SO3≥5%。
同时，兖新煤化针对气化灰水系统（气化系统总投煤量3 000 t/d左右，外排气化废水约120 m3/h）灰水中氯离子和氨氮含量的要求，得到煤中微量元素的边界条件为Clad≤0.05%、Nad≤0.80%。
多煤种掺配情况下，需根据混合煤灰成分的要求和单种煤灰成分的情况反推出各种煤灰成分的比例，再反推出各原料煤的比例，进而形成优化的配煤方案与流程，并将日常分析数据汇集成数据库，以便于各煤种之间的混配。总之，基于煤灰成分、碱酸比、硅铝比，可对煤灰熔融性及黏温特性进行初步判断，并指导气化用煤调配。
1.2.2 基于灰化学组分特性的配煤模型
按照煤灰中各种特征元素的含量情况可将煤分为五类：高硅铝煤（SiO2+Al2O3＞80%）、高硅铝比煤（SiO2/Al2O3＞2）、高钙煤（CaO＞15%）、高铁煤（Fe2O3＞15%）、高钙铁煤（CaO+Fe2O3＞35%）[3]。
在长期固定使用某几种煤炭的情况下，如准南矿区煤、黑山矿区煤、准东矿区煤、北塔山矿区煤，并在配备基煤确定的情况下（即符合硅铝比和碱酸比要求，煤灰成分和灰熔点均满足要求），找出煤质经常变化的煤，据灰成分分析数据，确定该种煤属于高钙煤还是其他类型煤，据煤种的同质性与差异性，配煤时考虑其叠加效应亦或削减效应。
1.3 优化配煤方法
在多种煤掺配的情况下，需根据混合煤灰成分的要求和单种煤灰成分的情况得出各种煤的灰成分比例，进而反推出混合煤中各原料煤的质量占比；按照筒仓给煤量可以调节的范围，优化调整掺配比例；然后进行灰熔点分析与黏温特性曲线测试，均合格后再进行试烧，据试烧结果进一步优化原料煤配比；并跟踪各种煤煤质的变化（主要是灰分和灰成分的变化），持续优化调整原料煤配比。优化配煤方案与流程：原煤烧灰→灰成分及其含量分析→计算配煤煤灰之硅铝比及碱酸比→得到多个优化的煤炭配比→反推原料煤的配比→混煤灰熔点测试→优选四五组混煤进行灰渣黏温特性曲线试验→择优原料煤配比开展新煤种试烧。
1.4 灰渣的黏温特性曲线
工程技术人员发现，气化灰熔点（FT）低于1 250 ℃的煤炭，运行过程中也会出现灰渣在气化炉燃烧室下渣口、激冷室静态破渣器和破泡条以及气化炉下渣口等处堆积堵塞的现象。因此，以灰熔点作为气化用煤的判定标准存在一定的局限性。
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