Abstract：
The effects of ash content on operation of coal gasification unit are discussed from aspects of operation of gasifier, black water system, energy efficiency etc. Based on practical operation experience and by theoretical analysis, it is found that ash content has crucial impact on stable operation of coal gasification unit and its economic efficiency. It is necessary therefore to regulate and control the coal for gasification from two aspects including ash composition and ash content, and thus to ensure steady and economical operation of gasification unit.
1
灰分对气化炉的影响
1.1
对固定床气化炉的影响
在固定床气化炉内，反应物料堆积成床层，原料煤从上部入炉，气化剂从底部进入并穿过炉渣层后在氧化层与煤发生反应，生成的粗煤气依次穿过还原层、干馏层和干燥层从顶部管道引出。固定床气化炉的这种结构和反应方式要求炉内床层必须有合理的透气性及机械强度，从而有效保证氧化层和还原层的气固反应正常进行，并将产生的产品气顺畅导出气化炉，同时产生的炉渣能够顺利地从底部排出。
为了保证还原层的正常工况，就必须要求氧化层充分燃烧以产生较高的温度。氧化层温度过高会发生灰渣熔融的现象，熔融的灰渣会降低渣层的透气性，影响气化剂的通过和均匀分布，从而导致氧化层的反应不彻底并引起还原层的工况不稳定，而灰分的组成决定了灰渣的熔融特性。在常压固定床煤气化炉用煤指标中，通常以灰渣的软化温度(ST)为灰熔融特性温度指标对原料煤的适用性进行判断。对于固定床气化工艺而言，要求气化原料煤在气化炉内正常气化时灰渣不出现熔融结渣现象，在气化炉设计时就要考虑设计煤种的适用性。所以，对于固定床气化炉原料煤就需要规定一个合理的指标，即对适用煤种灰分确定一个合理的熔融特性温度区间，如果该煤的灰熔融特性温度高于此指标，正常气化时煤灰不会发生熔融结渣，那么该煤种可作为气化原料用煤，否则不适用于固定床气化工艺。
鉴于煤化工行业的不断发展，国家颁布并更新了《常压固定床气化用煤的技术要求和试验方法》(GB/T 9143—2008)，对气化用煤的灰熔融性温度指标提出了具体的要求。GB/T 9143—2008将灰熔融特性温度指标界定为含灰分质量分数≤18%时为≥1 150 ℃和含灰分质量分数＞18%时为≥1 250 ℃，这样就把许多易于气化但灰熔融特性温度低于1 150 ℃的煤排除在气化用煤范围之外。由此可看出，灰分组成对固定床气化用煤的选择及气化性能具有关键性的影响。
1.2
对流化床气化炉的影响
流化床气化炉的气化温度一般低于移动床气化炉，采用固体干法排渣，气化炉的运行主要受限于原料的反应活性和灰熔点。煤的灰熔点对固态排渣工艺特别重要，煤气化过程的一些关键工艺条件、设计参数(如水蒸气氧气比、气化强度等)主要取决于煤的灰熔点。灰分的熔点直接影响气化炉的操作温度，如果煤的灰熔点低，则会限制气化炉反应温度的提高，导致气化炉的生产能力降低，同时容易发生结渣现象，影响正常操作。
一般常压流化床气化工艺的操作温度控制在850~950 ℃，适合气化反应活性较高的褐煤、长焰煤等煤种。加压流化床气化工艺的操作温度随着操作压力升高可提高至1 100 ℃左右，为了防止原料煤灰分在高温床层中软化、结渣而破坏气化剂在床层界面的均匀分布，最终导致出现沟流等不良现象，除了保持一定的流化速度外，要求煤的ST＞1 250 ℃，气化炉操作温度一般选定在比ST低150~200 ℃范围内比较安全。对于灰融聚流化床气化工艺，灰熔点过高反而不利于产生灰熔融或团聚，所以为了保证正常的运行，就需要增大射流的氧煤比以提高气化炉的操作温度。
正常运行时，流态化床层中大部分是灰分，因此气化炉运行指标和操作难易程度对原料煤的灰分含量远不如气流床那样敏感。流化床气化工艺能气化含灰分质量分数30%~50%的高灰煤，但煤中灰分含量过高对原料运输及整个气化系统的运行不经济；同时，灰分含量的增加也加大了灰渣排放量，炉渣带走一部分热量导致热损增大，降低了气化炉的热效率；此外，灰分含量的增加势必要消耗一部分气化反应热，导致有效气含量降低，煤耗和氧耗升高。
原料煤的灰分含量是流化床气化工艺煤耗的主要影响因素之一，灰分含量越低，原料煤耗越低。考虑到实际运行的经济性，目前国内大都使用含灰分质量分数25%以下的煤。总的来看，流化床气化炉运行工况对原料煤灰分含量的变化不是特别敏感，但必须保证ST比气化炉操作温度高150~200 ℃。
1.3
对气流床气化炉的影响
灰分对气流床气化炉的影响是非常关键的，其中灰熔点是气化炉设计时须考虑的关键因素之一。煤灰熔融温度及黏温特性决定了原料煤种的工艺适用性及气化炉的操作温度，而灰分的组成决定了灰渣的熔融温度及黏温特性。
煤灰是多种矿物组分组成的混合物，没有确定的固液相的熔融温度，煤灰的熔融存在一个较宽的温度区间，灰组分的性质及含量决定了煤灰熔融温度及黏温特性。研究发现[1]，煤灰中的硅、铝、钙、铁、钛、镁等氧化物含量及灰渣熔融结晶矿物质组成是决定煤灰流动温度的主要因素，其中煤灰中的SiO2含量对熔融煤灰的黏性影响较大，Al2O3含量对煤灰的熔点影响较大。总体而言，最终决定煤灰流动温度及黏温特性的是酸性氧化物(SiO2+Al2O3+TiO2)与碱性氧化物(Fe2O3+CaO+MgO)总量及分量在煤灰中所占的比例。
经过气化后的灰渣形态有玻璃渣、结晶渣、塑性渣3种类型，煤灰中总碱含量和Al2O3含量会影响灰渣的类型。通常当粗渣呈玻璃球状时，气化炉运行工况较好，生产最稳定；当气化粗渣为塑性渣时，下降管处容易结渣而发生堵塞，此时生产工况不易控制。灰渣成分中硅含量低且含Al2O3质量分数＜24%的玻璃状渣是较为理想的灰渣，有利于气化炉工况的稳定。
为保证气流床气化炉液态排渣顺畅，一般要求工况下熔渣黏度值在25~40 Pa·s、下渣口温度比灰熔点高150 ℃左右为宜。黏度值过高会导致排渣不畅；黏度值过低，液态渣会对热壁炉的炉砖产生冲刷和侵蚀，会造成水冷壁气化炉的水冷壁挂渣减薄，甚至无法挂渣。在灰分熔融温度区间内，灰分的黏温曲线变化应该尽量平缓，因为灰分黏温曲线出现突变易导致气化炉下渣口及下降管处发生堵塞、激冷室内件严重结垢。此外，灰组分的稳定性也非常重要，当灰组分发生变化时，灰渣的熔融及黏温特性也随之发生变化，气化炉的工况也会发生改变，增大了操作难度，尤其是水冷壁气化炉。
气流床气化炉的工艺特性决定了煤灰熔点过高或过低均不利于气化炉的稳定运行。灰熔点升高，迫使气化炉操作温度提高，高温熔渣和气体加剧冲刷气化炉炉壁的向火面，加速炉砖的损耗。经验表明，气化炉操作温度每提高100 ℃，耐火砖的磨蚀速率就会提高2倍。对水冷壁气化炉，灰熔点升高容易造成炉壁挂渣脱落，引起工况波动，严重的将导致炉壁烧穿。
灰分除了会对炉砖产生热冲刷外，灰渣中的某些组分还会加速对气化炉炉砖的侵蚀速度，缩短气化炉炉砖的使用寿命[2]。如灰渣中的CaO增大了熔渣向砖内的渗透深度，Fe2O3加速了熔渣对耐火砖表面的冲刷损毁。此外，灰组分发生变化后，操作工况也会随之改变，炉内工况的交替变化将增大烧嘴向火面材料的应力疲劳，烧嘴出现裂纹的概率增大。所以，灰组分对气流床气化炉的运行稳定性及使用寿命都有很大的影响。
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灰分对黑水系统运行的影响
煤气化装置黑水系统的主要作用是粗煤气的激冷及洗涤，包括黑水闪蒸、沉淀处理及回用。由于煤炭本身的特性及气化工艺特性，煤气化装置黑水系统的运行环境非常恶劣，因此黑水系统存在很多对装置运行构成安全隐患的问题，如结垢、磨损及腐蚀等，其中管道设备结垢表现得最为突出。黑水系统的严重结垢会直接影响气化装置运行的经济性和稳定性。
黑水系统结垢的主要原因是由于煤气化后的熔渣与水接触，熔渣中的成垢物质进入黑水系统，在高温热效应及酸碱效应的作用下，黑水中大量的成垢离子及固体悬浮物会在设备内件表面及管道内形成垢层。黑水中的成垢离子主要是Ca2+，Mg2+，Al3+，Fe3+等，这些离子主要来源于煤中的灰分。黑水系统垢层的成分主要是碳酸盐沉积物和硅酸盐沉积物两大类。碳酸盐沉积物生成的物质基础主要是气化过程中产生的二氧化碳和黑水中的成垢离子，黑水的高温热效应促进了沉淀的加速进行。硅酸盐沉积物生成的物质基础主要是灰分中的Cl-，SiO2等和黑水中的成垢离子，黑水的酸性环境促进了硅酸盐沉积物的生成。
黑水系统普遍存在结垢现象，这是由煤气化的工艺特性决定的，但煤灰组分及其含量直接影响黑水系统结垢的速度及程度。除了灰组分及其含量外，气化炉工况也会影响黑水系统的稳定性，气化粗渣成渣率越高、细灰含量越低，黑水中的固体悬浮物及成垢离子浓度就会降低，反之黑水中的固体悬浮物及成垢离子浓度就会升高。所以，黑水的工况与气化炉的工况是互动关系，炉况操作不稳定也会直接导致黑水系统的恶化。黑水系统主要的结垢部位包括气化炉内件、气化炉黑水管线、激冷水管线及设备、洗涤塔和热水塔内件、除氧器。
(1) 气化炉内件是结垢比较严重的部位，尤其是下降管和上升管环隙间结垢、挂渣特别严重。一旦下降管严重结垢，粗煤气通过激冷室的阻力大大增加，而且很容易发生严重偏流，导致激冷室液位不断上涨，给气化炉的安全运行带来严重的安全隐患。
(2) 由于气化炉和洗涤塔至高压闪蒸罐的黑水管线内的水质非常差且温度较高，所以很容易结垢，结垢严重时会影响气化炉及洗涤塔黑水的正常排放，使气化炉的安全运行受到威胁。
(3) 激冷水管线、激冷水过滤器、激冷水泵蜗壳及激冷环处都容易形成垢层。激冷环是保证下降管安全运行和顺利排渣的关键部件，如果发生结垢，会导致激冷水分布不均或水量不足，严重时会导致下降管被烧损或堵塞。激冷环结垢将缩短下降管的使用寿命并影响单炉的运行周期，严重结垢会给气化炉的安全运行带来严重的安全隐患。
(4) 洗涤塔内的塔盘一旦结垢，会直接影响塔盘的气液分布，从而降低洗涤塔的洗涤效果，导致洗涤塔出口粗煤气含尘量增加，加速变换单元催化剂的失效。热水塔内塔盘一旦结垢，会影响塔盘的气液分布，进而降低热水塔的换热效果，造成热水塔换热效率降低。
(5) 灰水在除氧器内被蒸汽加热，但由于受到灰水含盐量高及除氧器内热效应的影响，容易在除氧器内形成结垢沉积。除氧器内件结垢后，将降低除氧器的除氧效果，增大除氧蒸汽的消耗量。
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灰分对气化能效的影响
在备煤过程中，原煤须经磨煤干燥或者制浆，在此过程中，棒磨机、煤浆搅拌机、煤浆泵、磨煤干燥机、热风炉、循环风机等设备将部分功率消耗在灰分的加工制备及输送方面，当原煤灰分含量增加时，会明显降低上述设备的有效功率，机械能耗增大。
在气化过程中，灰分虽然不直接参与气化反应，但为了保证气化炉工况稳定、顺利排渣和维持气化炉的热量平衡，都会消耗一部分热量。对于灰融聚流化床气化工艺和气流床气化工艺，无论是灰含量增加或者灰熔点升高，都须提高氧煤比以保证气化炉工况的稳定，这就需要更多的碳原子完全燃烧以满足灰渣熔化所需的热量。由于过多的碳完全燃烧，使粗合成气中有效成分(CO+H2)含量降低，从而降低了气化炉的冷煤气效率。有研究采用Aspen Plus软件对德士古气化工艺进行模拟，获得了灰分对粗合成气中有效气体含量的影响趋势[3]，模拟结果证明随着原料煤中灰分含量的增加，合成气中有效成分(CO+H2)含量逐渐降低，与实际运行数据相一致。
灰含量的增加也会导致排渣量及灰渣运输量增加，灰渣显热损失增大。对于流化床气化工艺，灰含量的增加使煤气出口飞灰夹带量增大，加速了分离设备的磨损。对气流床气化工艺，灰含量的增加使黑水中固含量增大，设备内件及管道结垢加速，加快了管件、阀门等设备的磨损，使设备效能降低、工艺管线阻力降增大、激冷水量及整个黑水系统循环量增大、物料输送能耗和机泵的机械能耗增加，同时也增大了垢下腐蚀的风险。所以，灰含量的增加会从整体上增加气化装置的能耗并降低气化装置的整体能效，同时增大了外排废水量，加剧了环保压力。
对于水煤浆气化工艺，低灰分含量可提高气化装置运行的经济性。有文献表明[4]，在气化条件相同的情况下，灰分质量分数每增加1%，氧耗增加0.7%~0.8%，煤耗增加1.3%~1.5%，但文中没有给出比氧耗与比煤耗的比较基准以及具体的论证和推导过程。有研究[5]根据煤气化计算模型[6-9]，通过物料衡算与热量衡算的耦合，定量计算出GE水煤浆气化工艺的比煤耗、比氧耗等气化指标，结果表明原煤中灰分质量分数每降低1%，干燥无灰基比煤耗降低约0.33%、比氧耗降低约0.72%。
但对于粉煤气化工艺，灰分含量过高和过低对气化装置都不利，灰分过高会导致氧耗和煤耗增加；灰分过低则不利于水冷壁挂渣并导致热损失增大，水冷壁渣层稳定性降低，为了调整水冷壁挂渣，不得不降低负荷，由此导致气化装置的负荷不稳定。实际经验表明，对于粉煤气化装置，原煤灰分质量分数稳定在15%左右比较合理。
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结语
煤炭本身的禀赋决定了气化工艺的特点，气化装置所面临的上述不利因素不可避免，但可以通过一些措施尽量降低此类不利因素的影响，提高装置的安全稳定性和经济性。灰分组成对气化工艺的选型及气化装置的水系统、排渣系统、装置运行的经济性及稳定性都有很大的影响。
要降低上述不利因素的影响，首先应严格控制气化用煤的灰分指标，加强对煤质和灰渣的元素分析，及时了解入炉煤的灰分特性，稳定灰渣的黏温特性，以增强气化炉的排渣或挂渣的稳定性；其次，严格控制气化用煤灰含量，全面降低气化炉的热损失；最后，加强黑水系统水质情况的监控，全面掌握系统水质的变化情况，及时调整外排水量和药剂添加量，适时控制水系统的水质在合理的范围内[10]，以此控制黑水系统中成垢离子的浓度，减缓设备和管道的结垢速度。
由于煤的灰组分存在不稳定性，所以建议大型煤气化装置设置配煤装置来调整气化用煤的灰分组成结构，提高煤质的稳定性，或通过添加助熔剂来改善煤灰分的熔融及黏温特性，从而提高气化装置的整体能效和环保指标，有效提高设备的运行周期及使用寿命，实现气化装置的长周期平稳经济运行。
沪公网安备 31010702007066号