入炉煤配方优化软件的开发与应用

作者

宋星星，王贵顺，温繁生，余庭辉。

第一作者简介

宋星星，男，1972年3月出生，硕士研究生学历，高级工程师，2004年毕业于石油化工科学研究院化学工艺专业，现在中石化湖南石油化工有限公司从事煤气化技术管理工作。

摘要

介绍AP粉煤气化工艺入炉煤质量标准，构建基于大数据的单煤和混配煤气化性能数据库，研发出的具有混配煤组分计算、相图计算、熔渣表面张力计算、黏温曲线计算、气化技术性能预测和气化成本预测6大功能的入炉煤配方优化软件。结合粉煤气化装置多年运行经验，介绍了用该软件进行入炉煤配方优化的计算过程和应用情况，可利用该软件进行气化生产用煤计划、采购计划和物流计划的制定，以及新煤种开发。该软件已陆续推广应用到多套煤化工装置。

关键词

粉煤气化　入炉煤　配方优化　软件开发

1概述

粉煤气流床气化技术以粉煤和纯氧为原料，采用大规模、加压气化炉生产高压粗煤气，气化温度高达1400~1700℃，气化炉采用水冷壁和液态排渣工艺，气化炉采用“以渣抗渣”的原理，利用原料煤灰分实现对水冷壁的有效保护。该技术煤种适应性强，可以气化无烟煤、烟煤、褐煤、石油焦和生物质等，但粉煤气化炉并非能适应所有煤种，其也有特定的入炉粉煤质量标准，并对入炉煤质量的稳定性有较高要求。

如果入炉煤质量偏离标准且不稳定，会影响气化装置安稳长满优运行。将煤炭市场上的单一煤种原料煤资源与入炉粉煤质量标准进行比对，几乎找不到完全合格的单一煤种原料煤用作入炉煤。采用配煤工艺能制备各项指标完全合格的混配煤解决原料煤资源紧张问题，因此配煤技术对煤化工企业来说意义重大。一旦混配煤配方开发失败就会带来堵渣等非计划停车，损失巨大。

为了科学合理管控混配煤新配方开发的风险，有必要将配方开发分为三步：第一步为逐步提炼冻结入炉煤质量标准；第二步为以入炉煤质量标准为基础，通过筛选组分煤和配比优化开发出若干各项指标完全合格的混配煤新配方；第三步为在若干个合格混配煤配方之间进行气化技术经济性能比对，筛选出满足气化工艺要求、变动成本最低的主力配方。

目前混配煤配方开发和技术经济性能比对主要依靠经验和生产实测数据，因其工作量大，效率低，不适应大规模煤气化生产的需要，因此粉煤煤气化行业需要入炉煤配方优化软件指导开发新配方和新煤种，以及筛选气化技术经济性能优良的主力配方。

2建立入炉煤质量标准

中石化湖南石油化工有限公司（简称湖南石化）煤化工部粉煤气化装置采用AP粉煤气流床气化技术生产粗煤气，为后续合成氨装置和变压吸附氢气提纯装置供应原料。该装置由中石化宁波工程有限公司详细设计，于2006年底投产。装置设计最大日投煤量为2500t，有效气产量为142000m³／h。该装置运行初期，专利商没有给出入炉煤质量标准，导致气化炉在运行过程经常遇到渣口堵塞、底锥损坏、热区下移等难题，经过10多年的技术攻关，湖南石化提炼出AP粉煤气化炉入炉粉煤质量标准，如表1所示。

从表1可以看出，AP粉煤气化炉入炉粉煤质量标准由12个项目组成，其中灰中硅铝比、灰中氧化钙含量、灰熔点和灰分4个指标与堵渣、底锥损坏、热区下移问题密切相关，成为入炉粉煤质量的关键指标。

3入厂煤质与入炉煤质量标准比对

湖南石化煤化工部入厂原料煤为单一煤种，分别为山西某无烟煤A（简称A煤）和内蒙某烟煤B（简称B煤），自行混配制得混配煤，其入厂煤与混配煤质量比对如表2所示。

从表2可以看出：①A煤有5个项目指标不符合入炉煤质量标准，且4个不合格项为关键指标，因此不能单独使用A煤；②B煤有4个项目不符合入炉煤质量标准，且3个不合格项为关键指标，因此也不能单独使用B煤；③混配煤A:B（1:2）各项指标都符合入炉煤质量标准，使用过程出现堵渣、热区下移和底锥损坏风险低。

由于入炉煤质量标准控制范围相对较宽，因此可以开发出多个符合标准的混配煤配方。如果每个配方都按入炉煤质量标准完成全部分析项目，费时费力。在多个合格混配煤配方之间，需要进行变动成本对比，筛选出成本最低的主力配方。

基于粉煤气化工艺入炉煤质量标准，有必要研发一种入炉煤配方优化软件，输入2个单一煤种的全分析数据和混配比例，自动计算不同配方混配煤的煤质分析数据，同时能完成相图计算、熔渣表面张力计算、黏温曲线计算、气化技术性能预测和气化成本预测。

4入炉煤配方优化软件研发

中石化湖南石油化工有限公司煤化工部自2013年起开始研发粉煤气化工艺入炉煤配方优化软件，经过迭代升级，该软件目前由混配煤组分计算、相图计算、熔渣表面张力计算、黏温曲线计算、气化技术性能预测和气化成本预测共6个模块组成，能够根据2~3个组分煤全分析数据和预订混配比例，自动计算不同配方混配煤的煤质分析数据，生成若干符合入炉煤质量标准的混配煤配方，可以对不同混配煤配方进行气化技术性能预测和气化成本预测，筛选既能稳定供应，又能满足安稳长满优运行要求的主力配方。软件处理过程如图1所示。

5入炉煤配方优化计算过程

5.1基础数据

按软件要求完成每个单一煤种的21项煤质分析数据，结果如表3所示。

5.2二元混配煤组分计算模块

入炉粉煤质量标准中的中位径和全水是工艺控制指标，混配煤组分计算时可以忽略。入炉粉煤质量标准中的可磨指数指标控制范围相对较宽，所有碎煤都能满足此要求，配方优化计算时也可以忽略。灰熔点指标没有加和性，需要实测或根据灰组成预测。入炉粉煤质量标准中的灰组成、元素分析和工业分析数据具有加和性^[1]。

如表3所示，将A、B煤质分析数据和混配质量比1:2输入二元混配煤组分计算模块，得到混配煤A:B（1:2）的煤质分析数据。该配方的FT偏高、氧化钙含量偏低，需要添加少量石灰石降低FT和增加氧化钙含量。经过软件多次计算，确定石灰石添加比例为0.5%，其煤质分析数据如表3所示，FT和氧化钙含量都合格。

如表3所示，将A、B煤质分析数据和混配质量比2:3输入二元混配煤组分计算模块，经过软件多次计算，得到混配煤A:B（2:3）+0.9%石灰石的煤质分析数据。该配方各项指标都符合入炉煤质量标准。

5.3相图计算模块

将混配煤A:B（1:2）+0.5%石灰石的灰组成数据输入相图计算模块，得到SiO₂、Al₂O₃、CaO三角相图^[2]。不加石灰石时的渣液化温度T_liq估算为1465℃，加0.5%石灰石时的T_liq估算为1445℃。

5.4黏温曲线计算模块

将混配煤A:B（1:2）+0.5%石灰石的灰组成数据输入黏温曲线计算模块，得到熔渣动力黏度为2Pa·s和25Pa·s时对应的渣温度分别表示为T₂₀和T₂₅₀。如图2所示，T₂₀为1687℃，T₂₅₀为1400℃。

5.5熔渣表面张力计算模块

1500℃时，纯氧化硅、纯氧化铁、纯氧化铝和纯氧化钙表面张力如表4所示，熔渣表面张力计算模块由纯氧化硅、纯氧化铁、纯氧化铝、纯氧化钙表面张力和混合物熔渣表面张力计算公式组成。

混合物熔渣表面张力=0.286×混合物中氧化硅摩尔含量+0.560×混合物中氧化铁摩尔含量+0.630×混合物中氧化铝摩尔含量+0.586×混合物中氧化钙摩尔含量。

将混配煤A:B（1:2）+0.5%石灰石的灰组成数据输入熔渣表面张力计算模块，得到1500℃时熔渣表面张力为0.408N／m。熔渣表面张力越大则不利于熔渣在水冷壁表面润湿铺展，不利于保护水冷壁。根据经验，混配煤熔渣表面张力正常值在0.398~0.411N／m，如熔渣表面张力大于0.411N／m，则底锥水冷壁损坏可能性明显增大。

5.6气化技术性能预测模块

将前面4个模块输出的计算结果输入气化性能预测模块，混配煤A:B（1:2）+0.5%石灰石在湖南石化粉煤气化炉运行的气化技术性能预测结果如表5所示。

5.7气化成本预测模块

经过上述5个模块计算和评估，可以生成若干个二元入炉煤配方。这些配方都符合入炉煤质量标准，气化过程不堵渣、不堵灰，碳转化率高，但由于组分煤的到货价格差异较大，导致不同入炉煤配方生成液氨的变动成本差别较大。将2个二元入炉煤的配方组成、组分煤的到货价格和灰分数据输入气化成本预测模块，计算结果如表6所示。

从表6可以看出，使用混配煤A:B（1:2）+0.5%石灰石配方生产液氨的吨氨变动成本比混配煤A:B（2:3）+0.9%石灰石配方低204元／t。从生产运行角度，该模块的计算精度已经满足入炉煤配方优化筛选需要，可利用该软件计算结果优化制

定气化生产用煤计划、采购计划和物流计划。

6应用

2013年起，湖南石化煤化工部使用该软件优化入炉煤配方，累计开发新配方约200个，形成常用主力配方约20个，开发成功10个主力原料煤矿，建成原料煤单煤和混煤数据库。依托原料煤配方优化技术陆续解决原料煤资源优化、堵渣堵灰、热区下移和底锥损坏难题，粉煤气化炉实现A级连续运行200d常态化，装置能耗水平居国内同类装置前列，2021年湖南石化煤化工部原料煤入厂价格比中国石化集团公司平均价低100元／t，2023年11月湖南石化粉煤气化炉创同类装置A级连续运行266d世界纪录。目前，该软件陆续推广应用到中国石化湖北化肥分公司和中安联合煤化工有限公司。

参考文献

[1]　孙凯蒂，刘臻，谷红伟，等. 化工原料煤智慧配煤优化系统研究与应用[J]. 中国煤炭，2023，49（5）：108-116.

[2]　孙彩娇，张玉柱，李杰，等. 碱度对高炉熔渣制备矿渣棉调质剂性能的影响[J]. 钢铁钒钛，2017，38（2）：81-86.

DEVELOPMENT AND APPLICATION OF A SOFTWARE FOR OPTIMIZING FEEDING COAL FORMULA

Song Xingxing，Wang Guishun，

Wen Fansheng，Yu Tinghui

（SINOPEC Hunan Petrochemical Co.，Ltd.，Yueyang 414003）

Abstract

This paper introduced the quality standard of feeding coal in AP pulverized coal gasification process，and constructed the database of gasification performance of single coal and coal blending based on big data. The software for optimization of coal blending formula was developed，which has six functions: calculation of coal blending component，calculation of phase diagram，calculation of surface tension of slag，calculation of viscositytemperature curve，prediction of gasification technical performance and gasification cost. Based on the operation experience of pulverized coal gasification plant for many years，this paper introduced the optimization calculation process and application of coal blending，which could be used to make the coal plan for gasification production，the purchase plan and logistics plan, as well as new coal development. The software has been applied to many sets of coal chemical plant.

Key words

pulverized coal gasification；feeding coal；formula optimization；software development

该篇文章发表于《大氮肥》2024年第一期。