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摘要：設計煤質數據是煤化工項目前期技術工作的基礎,對于項目技術選擇和工程設計意義重大。文章根據煤化工項目建設經驗,提出了煤質數據選擇的基本程序,將設計煤質數據分為基礎指標和專用指標,針對每種指標的特點,探討了煤質數據確定過程中的一些關鍵點以及處理這些問題的一些思路和經驗做法。

關鍵詞：煤化工;設計基礎;煤質數據

0引言

煤炭是煤化工項目最重要的原料,隨著對煤化工工藝技術認識的不斷深化,業內基本已經形成共識,掌握原料煤的特性是做好煤化工項目的前提。在煤化工項目前期和設計階段,煤質數據的選擇具有特別重要意義,關系到煤化工項目的工藝技術選擇、投資以及項目建成后的運行可靠性、經濟性等。國內部分煤化工項目建成后,由于各種原因,使用的原料煤煤質嚴重偏離項目設計采用的煤質,導致項目或長期不達產,或不能長周期穩定運行,花費巨資進行技術改造,這些都與設計階段煤質數據選擇不當有關。目前業內在設計煤質數據選擇方面尚沒有形成成熟的標準和方法,煤炭特性本身也具有一定的復雜性,都給煤質數據選擇造成困難。煤化工項目設計煤質數據的選擇涉及到多方面的因素,是一個循序漸進、不斷優化的過程。這些因素包括原料煤的來源、項目采用的工藝技術、煤礦的資源賦存情況、生產情況等,需要綜合分析研究才能確定項目設計采用的煤質數據。本文根據作者從事煤化工項目相關經驗,總結了煤質數據選擇的關鍵點,提出了煤質數據確定的基本程序、重點指標以及處理一些關鍵問題的思路和做法。

1設計煤質數據確定的基本程序

煤化工項目設計煤質數據的確定,首先要根據項目的實際情況,確定原料煤的主要來源,這是開展相關工作的前提。一般情況下,煤炭來源分為兩種情況:一種是項目具有相對固定的煤炭來源,如國內很多大型煤化工項目都由配套的煤礦供應原料煤;另一種是項目需要到市場上采購原料煤。不同情況下設計煤質數據選擇需要考慮的關鍵點是有差異的。然后需要詳細了解項目使用的原料煤的煤質特點,收集整理煤質數據,對數據進行統計分析,初步確定項目設計煤質數據。設計采用的煤質數據的表示方法一般有兩種,可以結合技術供應商要求選擇采用:一種是采用設計煤種與校核煤種煤質數據的表示方法,這時需要選擇兩組煤質數據,分別作為設計煤質數據和校核煤質數據。另一種表示方法是選擇一組煤質數據作為設計煤質數據,然后根據掌握的煤種煤質數據情況確定每一項煤質指標的波動范圍。設計煤質數據一般用來進行工藝設計,因此亦稱之為工藝設計煤種數據,校核煤質數據或設計煤質數據的波動范圍一般用來進行設備設計或工藝校核,因此,也被稱為設備設計煤種數據。初步掌握了原料煤的煤質情況后,就可以選擇氣化技術類型。

氣化技術類型的選擇是綜合煤質、項目產品方案、環保、技術經濟等多方面考慮后確定的,但煤質無疑是決定氣化技術類型最重要的技術因素。目前,已經商業化應用的氣化技術類型主要有固定床加壓氣化、水煤漿氣化、干粉煤氣化、流化床氣化等,雖然每一種氣化技術的煤種適應性都在不斷擴大,但每一種氣化技術都有自己最適合處理的煤種,相關研究報道已經很多,在此不再贅述[1]。對于具有相對固定的煤炭來源的煤化工項目,必須根據目標煤炭煤質情況選擇氣化技術。對于從市場上采購煤炭的煤化工項目,選擇氣化技術時考慮更多的是產品方案和技術經濟因素,但也要充分考慮項目可以實現經濟便利獲取的煤炭煤質對氣化工藝的適用性。確定了氣化技術類型后,要根據氣化技術對煤質指標進行復核和補充研究,確定最終采用的設計煤質數據。該階段的工作重點是根據所選氣化技術類型對煤質的要求,復核掌握的煤質數據,研究各種情況下是否滿足氣化工藝需要,補充缺少的煤質分析項目數據。該步驟是確定設計煤質數據的最后一步,如果沒有發現煤質數據與氣化技術之間的嚴重不匹配情況,一般就可以最終確定采用的設計煤質數據。

2設計煤質數據主要指標和確定

表征煤質的指標有很多,根據煤化工項目設計需要,設計煤質數據的主要指標可以分為兩類:第一類是基礎指標,是開展項目設計的基礎數據;第二類是專用指標,根據工藝技術特別是氣化技術選用情況需要專門考慮。

2.1基礎指標及確定

基礎指標包括全水、工業分析、元素分析、硫含量、熱值等,基本上都是目前商品煤交易中涉及的指標,也是煤化工項目工藝設計的基礎數據,對項目的經濟性具有較大影響。這些指標的確定,通常具有較多的參考資料和數據。如果項目有配套煤礦,可以結合該煤礦的精勘資料、生產煤質數據和采樣分析數據綜合分析后確定項目設計煤質數據;如果項目主要從市場上采購煤炭,就要對主要采購渠道的煤質進行調研,綜合考慮項目經濟性提出項目設計煤質數據。

2.2專用指標及確定

專用指標隨氣化技術不同而異。固定床氣化中,需要考慮煤的粒度、熱穩定性、機械強度、反應活性、灰熔點;流化床氣化中,需要考慮的指標是反應活性、粘結指數和灰熔點;氣流床氣化中,如果是干粉氣化,需要考慮的指標是可磨指數、灰熔點及灰的粘溫特性,如果是水煤漿氣化,還需要考慮成漿性。氣化技術的選擇與煤質密切相關,專用指標往往在氣化技術選擇中具有決定性作用。專用指標的確定,一般情況下可供參考的資料比較少,多數情況下需要通過采樣分析獲得,但有限的采樣分析次數往往造成結果隨機性很強,給確定帶來困難。

3設計煤質數據選擇的關鍵點

3.1基礎指標確定的關鍵點

長期以來,煤炭的主要用途是作為燃料和煉焦,煤質指標分析方法設計和商品煤的質量指標也主要考慮這些用途。在煤化工中煤的轉化過程與煤燃燒或焦化過程存在較大區別,煤化工項目的設計煤質數據確定需要結合采用氣化技術的實際情況,部分情況下需要通過專門設計的實驗來獲取更為可靠適用的數據。基礎指標數據的確定可以參考鍋爐、煉焦行業的經驗,重點是確定發熱量、灰分含量、水分含量、硫含量。發熱量是工藝設計的重要基礎數據,直接影響系統的煤耗、氧耗和能效。煤炭的發熱量可以通過洗選和配煤等技術調整,需要結合煤炭的可選性或配煤的經濟性等因素綜合考慮。一般情況下,不推薦直接采用原煤作為煤化工用煤,原因就在于原煤質量不穩定,經過洗選可以起到穩定煤質的作用,有利于煤化工裝置操作和穩定運行。發熱量確定后,即可確定灰分含量、水分含量和硫含量。灰分含量和水分含量與煤的發熱量高度相關,對于同一煤種,發熱量確定后,灰分和水分含量的變動范圍就比較小,較易確定。煤化工工藝對于煤中的硫含量適應性很強,硫含量主要影響設備的選材和硫回收裝置的設計。對于配套煤礦供煤,要參考煤田詳勘等資料綜合了解整個井田煤中硫含量的分布情況,很有可能同一井田內既有高硫煤又有低硫煤,這時工藝設計就要考慮高硫煤的使用問題。對于外購煤炭作為原料煤,可以利用煤化工裝置處理高硫煤的優勢,采購高硫煤作為原料煤降低煤炭采購成本。最終設計采用的硫含量,要根據實際情況在保證安全生產的同時,不提升設備管道材料等級,維持硫回收裝置經濟穩定運行。

3.2專用指標確定的關鍵點

專用指標數據收集可供參考的資料一般較少,通常需要采樣分析。由于時間、采樣的代表性等原因,能夠收集到的數據往往非常有限,給專用指標的確定帶來困難。解決這一問題,一般可以考慮從三個方面入手。一是加大取樣分析頻次,持續對煤質數據進行跟蹤,及時調整和修正。需要指出的是,要正確對待數據的波動性,調整或修正要慎重。二是充分利用煤田地質勘探階段煤質調查數據。地質勘探階段煤質調查的重點在于煤質的通用指標,但也或多或少包含一些專用指標數據,從這些數據中可以初步了解整個煤田的煤質特征。三是按照掌握的煤質內在關系,利用現有數據推算。如煤灰的熔融特性和粘溫特性與煤灰的組成之間就具有很強的規律性[2],通過經驗公式或相圖就可以利用灰分組成數據推算出來煤灰的熔融特性和粘溫特性。利用煤巖成分數據也可以較為準確的推斷出煤的一些物理性質[3],如機械強度、反應活性等,煤田地質勘探階段煤質調查一般都將煤巖成分調查作為一個重點,可供采用的數據也比較多。專用指標確定的另一個難點是分析方法的適用性問題。工藝條件對煤的某些特性具有較大影響,如果煤質分析所采用的測試條件和煤在工業使用中的工藝條件差別較大,就有可能造成較大的誤差。如煤的粘結性,常壓下粘結性較弱的煤種在加壓條件下粘結性可能會成倍的增大,如果在工藝設計中沒有注意到這個問題,可能就會影響裝置的正常運行。煤的機械強度也存在類似的問題,通常情況下強度較好的煤在快速受熱時強度可能會急速下降,甚至出現粉化現象。因此,在專用指標的確定過程中要充分考慮分析方法的適用性問題,如有必要,可以進行專題實驗研究。

4結語

設計煤質數據的確定,是煤化工項目前期的一項重要技術工作,是開展項目設計的前提條件之一。

(1)設計煤質數據的確定,要建立在對原料煤煤質情況充分了解的基礎上,綜合考慮工藝技術選擇、經濟性等因素,按照初步確定—技術復核—調整修正—最終確定的基本程序,形成最終采用的的設計煤質數據。

(2)設計煤質數據可以劃分為基礎指標和專用指標,根據工藝技術選擇情況分別確定。要特別重視專用指標數據的確定對氣化技術的選擇的作用。

(3)基礎指標和專用指標確定過程中,要根據每一項指標的作用,結合煤化工項目的特點,做到具體問題具體分析,特別是數據收集、分析方法適用性等關鍵問題,對于設計煤質數據確定具有重要作用。

參考文獻

[1]步學朋,任相坤,崔永君.煤炭氣化技術對煤質的選擇及適應性分析[J].神華科技:2009,(05):73-77,81.

[2]臺培杰,袁海平,梁欽鋒,等.煤灰和熔渣的熔融特性和黏溫特性比較[J].華東理工大學學報(自然科學版):2010,36(6):765-770.

[3]解維偉.煤化學與煤質分析[M].冶金工業出版社,2012.

作者:朱向偉 單位:中海油大同煤制氣項目籌備組