应用原料煤分析数据建立煤灰流动温度模型_华桂义.pdf

Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry2023 年 4 月第 46 卷第 2 期Apr.2023Vol.46 No.21概述某公司煤化工项目自 2019 年 6 月 15 日投料试车至 2022 年 6 月，已经运行 3 a。其中煤气化装置采用中国石化和华东理工大学自主研发的 SE-东方炉粉煤加压气化技术，由中石化宁波工程有限公司总承包建设（EPC）。原料煤设计采用“内蒙煤+淮南煤”混配，实际运行中，因内蒙煤硫含量比设计值高 0.7%左右、淮南煤供应不足（二元配煤中淮南煤比例偏少），配煤中硫含量较高，使得合成气中总硫超酸脱装置设计能力。为此，该公司采用三元配煤（引入另一种低硫煤），以减少中蒙煤的用量，从而减少进入系统的总硫含量。截止目前，该公司已使用煤种多达十几种（如朱集西煤、中天煤、中蒙煤、神优煤、义马煤、红庆河煤、马泰壕煤等），不同煤种混配及不同配煤比例多达 50 种以上（如中义朱配比有 532、523、451、211 等；蒙神朱配比有 532、442、352等），气化炉切换煤种及煤种比例调整多达 120 次以上。如此频繁的切换煤种和调整比例，对气化炉的操作影响较大，特别是煤灰流动温度（FT）关系到气化炉的操作稳定和经济运行，因此有必要对煤灰流动温度进行模拟计算，形成快速指导生产的煤灰流动温度经验公式。该公司 LIMS 系统记录有 13 个煤种，977 组分析数据，包括入厂煤、新煤种、试验煤等，其中较完整数据（指含灰成分及灰熔点，下同）有 124 组；配煤分析数据有 235 组，其中较完整数据有 120 组；气化煤粉分析数据有 5 456 组，其中较完成数据有 203 组。应用原料煤分析数据建立煤灰流动温度模型华桂义（中安联合煤化有限责任公司，安徽淮南 232092）摘要：通过对某公司 LIMS 系统中原料煤分析数据进行分类、研究，将煤灰主要成分、硅铝比、酸碱比等参数与煤灰流动温度相关联，建立煤灰流动温度经验公式模型，用以指导配煤，为气化炉运行提供支撑，并可对分析数据的准确性（或可靠性）进行校验，为同类装置提供借鉴。关键词：煤灰成分灰熔点流动温度硅铝比模型收稿日期：2022-07-27；收到修改稿日期：2023-01-28。作者简介：华桂义，男，1973 年出生，本科学历，高级工程师，公司专家，1997 年 7 月毕业于北京化工大学化学工程专业，现在中安联合煤化有限责任公司技术质量部从事煤化工技术管理工作。联系电话：[phone]；E-mail：。利用煤质分析数据，可以建立煤灰成分与灰熔点间的关系，通过建立的关系方程可以计算煤灰流动温度，指导气化装置的运行，同时也可对装置配煤进行指导，验证分析数据的可靠性和准确性。众所周知，煤灰的熔融特性与煤灰组成及煤灰各组分含量有较大关系。国内外许多学者都进行过大量的研究1-7，有学者采用煤灰组分与灰熔点进行关联，有学者采用煤灰熔融指数与灰熔点进行关联，有学者采用酸碱比、铁钙比、硅铝比等与灰熔点关联，也有学者采用煤灰组分与酸碱比等组合与灰熔点相关联；此外，还有采用三元相图进行灰熔点预测等。影响煤灰熔融性的主要组分有 SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、SO3、MgO、K2O、TiO2、Na2O，其中酸性氧化物有 SiO2、Al2O3、TiO2、SO3，碱性氧化物有 Fe2O3、MgO、K2O、TiO2、Na2O，酸性氧化物通常起提高灰熔点的作用，碱性氧化物通常起降低灰熔点的作用。氧化物含量对灰熔点影响较大，不同含量的酸性氧化物之间、碱性氧化物之间及酸性和碱性氧化物之间会形成不同种低熔点共熔物，如 铁 橄 榄 石（2FeOSiO2、1 205）、铁 铝 榴 石（3FeOAl2O33SiO2、1 2401 300）、霞石（Na2O Al2O32SiO2、1 1501 200）等。由于在强还原、弱0802023 年第 46 卷还原及强氧化气氛下，氧化铁的存在形式不同（Fe 1 530、FeO 1 420、Fe2O3 1 560），在不同气氛下测得的灰熔点也不同，通常弱还原氛围下的灰熔点最低，更与实际气化炉氛围相近。通过数据模拟得到的灰熔点计算模型对同一地区（或同一煤种）具有良好的适应性（精确度高），但对于其他地区或煤种不一定适用。该公司采用的主力煤种有中蒙（中天）、义马（神优）、朱集西，常用的三元配煤主要为中神朱、中义朱、蒙神朱及蒙义朱这 4 种配煤的不同配比，且这 4种配煤分析数据基本满足建模所需的数据条件，现对这 4 种三元配煤进行灰熔点模拟计算，建立对应配煤的灰熔点经验方程。2对 LIMS 系统中三元配煤数据梳理梳理煤种数据库中配煤数据，剔除异常数据，中神朱配煤分析数据采用 24 组，中义朱配煤分析数据采用 52 组、蒙神朱配煤分析数据采用 53 组、蒙义朱配煤分析数据采用 118 组。配煤煤灰成分分析数据统计如表 1 所示。表 1中神朱、中义朱、蒙神朱、蒙义朱 4 种配煤煤灰分析数据统计%煤种中神朱中义朱蒙神朱蒙义朱2020-09-162021-01-182020-08-022021-07-262020-02-272022-05-192020-02-172022-05-19最大最小平均最大最小平均最大最小平均最大最小平均SiO243.95 34.46 39.64 49.75 35.09 41.02 45.64 36.27 42.01 47.39 23.44 42.56 Al2O327.42 18.38 23.94 33.51 19.18 25.75 27.26 19.89 24.35 31.86 16.46 26.57 CaO18.53 8.15 14.30 15.23 5.76 10.36 17.78 9.64 13.03 19.20 6.63 10.17 Fe2O314.02 7.43 9.96 14.90 4.74 9.37 12.09 6.71 8.49 13.82 4.37 7.86 SO37.48 0.63 2.94 6.45 3.03 4.38 6.53 0.40 4.30 7.05 0.53 4.38 MgO1.71 0.21 0.78 2.24 0.35 1.30 1.71 0.27 0.80 2.71 0.24 1.19 K2O2.13 0.21 1.54 2.04 0.24 1.46 1.84 1.29 1.58 2.88 0.94 1.46 TiO23.64 1.65 2.36 2.60 1.06 1.80 2.28 0.67 1.44 3.80 0.83 1.56 Na2O1.89 0.14 0.64 2.30 0.10 0.97 1.17 0.19 0.72 3.18 0.09 0.92 Na2O+K2O2.52 1.87 2.19 3.47 1.30 2.43 2.67 1.93 2.30 4.21 1.55 2.38 SiO2 Al2O31.90 1.50 1.68 2.20 1.30 1.60 2.00 1.50 1.73 2.40 1.30 1.62 FT 1 390 1 290 1 339 1 340 1 230 1 297 1 340 1 190 1 292 1 380 1 250 1 302 从 表 1 中 可 以 看 出，几 种 配 煤 SiO2含 量 在23.44%49.75%，Al2O3含量在 16.46%33.51%，CaO含量在 5.76%19.20%，Fe2O3含量在 4.37%14.90%，MgO 含 量 在 0.21%2.71%，K2O 含 量 在 0.21%2.88%，Na2O 含量在 0.09%3.18%，TiO2含量在 0.67%3.80%；硅 铝 比 1.302.40，灰 熔 点 在1 1901 390。根据该公司用煤灰组成含量范围，结合文献资料1-7，建立 FT 与煤灰组分、硅铝比和酸碱比相关的回归公式，具体如下：FT=b+K1WSiO2+K2WAl2O3+K3WCaO+K4WFe2O3+K5WSO3+K6WMgO+K7（WK2O+WNa2O）+K8WTiO2+K9A+K10B（1）式中：A 硅铝比（SiO2 Al2O3）；B 酸性氧化物与碱性氧化物之比（SiO2+Al2O3+TiO2）（CaO+Fe2O3+MgO+K2O+Na2O）；K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9、K10 分别为回归公式（1）中各项对应的待定系数；b 常数项，待定；W*煤灰中组分*的含量，%。2.1建立中神朱三元配煤 FT 回归公式中神朱三元配煤有较完整分析数据 24 组，如表2 所示，利用表 2 数据对公式（1）进行回归，得公式（1）中各项待定系数和常数项的值。b=-2 228.087，K1=-57.62，K2=143.8，K3=-10.99，K4=-28.55，K5=7.178 3，K6=-3.63，K7=-33.23，K8=49.625，K9=1 985.81，K10=-209。将各系数代入公式（1）得到中神朱配煤煤灰流动温度模拟公式：FT=-2 228.087-57.62WSiO2+143.8WAl2O3-10.99WCaO-28.55WFe2O3+7.178 3WSO3-3.63WMgO-33.23（WK2O+WNa2O）+49.625WTiO2+1 985.81A-209B（2）回归公式（2）对应的相关系数 r=0.931 5。查文献8得，对于 24 个样品数据，回归分析相关系数临界值 r0.05在 0.4040.423，r0.01在 0.5150.537，而回归方程相关系数 r=0.931 5，明显高于临界值，说明线性相关度较高，具有实际应用价值。应用已经建立的回归公式（2）对 24 组数据计算，得预测 FT 值。检验预测 FT 值，实测与预测值比较如表 3 所示。081第 2 期华桂义.应用原料煤分析数据建立煤灰流动温度模型表 2中神朱三元配煤煤灰分析数据及预测 FT%配比SiO2Al2O3CaOFe2O3SO3MgOK2OTiO2Na2OFT 预测 FT 中神朱 0142.07 26.31 14.05 7.68 0.80 0.70 1.62 2.25 0.58 1 390 1 375 中神朱 0241.75 25.98 12.96 8.44 1.13 0.81 1.64 2.14 0.72 1 370 1 349 中神朱 0341.21 24.59 11.05 13.15 3.43 0.21 1.82 2.27 0.19 1 300 1 296 中神朱 0440.76 24.31 14.29 8.78 0.80 0.82 1.63 2.13 0.52 1 340 1 339 中神朱 0537.22 19.43 15.53 14.02 3.00 0.64 2.13 2.34 0.21 1 320 1 333 中神朱 0636.66 21.00 15.51 11.77 7.48 1.03 1.55 1.65 0.72 1 290 1 291 中神朱 0737.61 23.29 18.53 8.55 1.80 0.97 1.43 2.18 0.79 1 3201 321 中神朱 0840.83 25.89 15.03 7.52 0.63 0.74 1.54 2.60 0.62 1 3801 384 中神朱 0938.51 23.89 16.25 8.62 4.55 1.02 1.43 2.09 0.77 1 3701 345 中神朱 1042.65 27.42 8.15 10.30 5.23 0.77 1.40 2.16 0.76 1 3201 327 中神朱 1138.78 24.34 17.56 8.52 0.88 0.56 1.56 2.42 0.47 1 3401 344 中神朱 1238.54 24.60 18.08 8.22 1.00 0.53 1.48 2.38 0.41 1 3401 350 中神朱 1340.98 25.57 14.33 8.19 3.98 0.52 1.61 2.57 0.48 1 3801 389 中神朱 1441.75 26.27 13.33 7.61 1.38 0.81 1.52 2.47 0.83 1 3801 376 中神朱 1537.86 21.10 16.36 12.19 3.08 0.36 1.96 3.53 0.15 1 3601 365 中神朱 1639.82 25.02 17.16 7.43 1.70 0.68 1.52 2.36 0.67 1 3601 378 中神朱 1737.90 22.84 14.29 10.63 4.78 1.36 1.46 1.95 0.86 1 2901 298 中神朱 1838.86 21.85 14.82 12.63 1.30 0.28 1.94 3.64 0.14 1 3601 352 中神朱 1934.46 18.38 18.19 13.88 5.00 0.58 1.70 2.63 0.26 1 3401 321 中神朱 2043.95 26.24 8.93 9.03 3.25 1.02 1.62 2.15 0.84 1 3101 322 中神朱 2143.20 26.61 9.00 8.98 3.58 0.99 1.55 2.13 0.89 1 3301 322 中神朱 2243.37 26.01 9.47 9.44 2.93 1.18 1.64 1.97 0.88 1 3201 322 中神朱 2337.50 24.60 13.58 9.39 5.13 1.71 1.08 2.25 0.79 1 3301 332 中神朱 2435.20 18.91 16.69 14.02 3.68 0.50 0.21 2.46 1.89 1 2901 298 表 3中神朱三元配煤实测 FT 值与预测 FT 值比较煤种 FT 80 FT 40 备注中神朱占比24 24（100%）24 24（100%）总数据 24 个注：FT =实测 FT 值-预测 FT 值。下同。根据 GB T 2192008煤的灰熔融性测定方法 灰熔点精密度规定（表 4），FT 计算值和实测值在偏差允许范围内，说明此模型可靠性较高。表 4煤灰熔融性测定的精密度规定熔融特征温度精密度重复性限 再现性临界差 变形温度 DT60软化温度 ST4080半球温度 HT4080流动温度 FT40802.2建立中义朱三元配煤 FT 回归公式中义朱三元配煤有较完整分析数据 52 组（限于篇幅，分析数据不再列表），利用此 52 组数据对公式（1）进行回归，得公式中各系数：b=449.00，K1=2.72，K2=14.84，K3=10.12，K4=-3.35，K5=-1，K6=6.98，K7=9.59，K8=61.6，K9=94，K10=-2.8。将各系数代入（1）得中义朱配煤煤灰流动温度模拟公式：FT=449+2.718WSiO2+14.84WAl2O3+10.12WCaO-3.35WFe2O3-WSO3+6.98WMgO+9.59（WK2O+WNa2O）+61.6WTiO2+94A-2.8B（3）回归公式（3）对应的相关系数 r=0.851 3，查文献8得，对于 52 个样品数据，回归分析相关系数临界值 r0.05在 0.2500.288，r0.01在 0.3250.372，而回归方程相关系数 r=0.851 3，明显高于临界值，说明线性相关度较高，具有实际应用价值。应用已经建立的回归公式（3）对 52 组数据进行计算，得到 52 个预测 FT 值。检验预测 FT 值，实测 FT 值与预测 FT 值比较如表 5 所示。表 5中义朱三元配煤实测 FT 值与预测 FT 值比较煤种 FT 80 FT 40 备注中义朱占比52 52（100%）52 52（100%）总数据 52 个根据 GB T 2192008 灰熔点精密度规定，FT计算值和实测值在偏差允许范围内，说明此模型可靠性较高。0822023 年第 46 卷2.3建立蒙神朱三元配煤 FT 回归公式蒙神朱三元配煤有较完整分析数据 53 组，利用此 53 数据对公式（1）进行回归，得公式中各系数：b=-56.446 61，K1=-20.3，K2=48.22，K3=6.118，K4=2.771，K5=2.13，K6=-23，K7=-7.4，K8=28.2，K9=509，K10=10.2。将各系数代入（1）得蒙神朱配煤煤灰流动温度模拟公式：FT=-56.45-20.3WSiO2+48.22WAl2O3+6.118WCaO+2.771WFe2O3+2.13WSO3-23WMgO-7.4（WK2O+WNa2O）+28.2WTiO2+509A+10.2B（4）回归公式（4）对应的相关系数 r=0.687 2，查文献8得，对于 53 个样品数据，回归分析相关系数临界值 r0.05在 0.2500.288，r0.01在 0.3250.372，而回归方程相关系数 r=0.687 2，明显高于临界值，说明线性相关度较高，具有实际应用价值。应用已经建立的回归公式（4）对此 53 组数据进行计算，得到 53 个预测 FT 值。检验预测 FT 值，实测 FT 值与预测 FT值比较如表 6 所示。表 6蒙神朱三元配煤实测 FT 值与预测 FT 值比较煤种 FT 80 FT 40 备注蒙神朱占比53 53（100%）51 53（96.23%）总数据 53 个根据 GB T 2192008 灰熔点精密度规定，FT计算值和实测值在偏差允许范围内，说明蒙神朱三元配煤采用公式（4）模型可靠性。分析数据检验：由于柠条塔为陕西神木地区煤（可以替代神优煤），将 2021 年 5 月 24 日至 2022 年2 月 28 日，共计 21 组蒙柠朱配煤分析数据代入公式（4），计算 FT。实测 FT 值与预测 FT 值比较如表 7所示。表 7蒙柠朱实测 FT 值与预测 FT 值比较煤种 FT 80 FT 40 备注蒙柠朱占比20 21（95.24%）20 21（95.24%）总数据 21 个表 7 中仅 1 个 FT 超过 80，其余计算 FT 都在误差范围以内，说明蒙柠朱三元配煤采用公式（4）计算灰流动温度的模型可靠。此 外，将 2022 年 5 月 30 日 气 化 入 炉 配 煤煤 粉 分 析 数 据（蒙 神 朱 532，其 中 SiO2=43.62%、Al2O3=25.22%、CaO=11.9%、Fe2O3=7.79%、SO3=4.33%、MgO=0.76%、K2O=1.66%、TiO2=1.28%、Na2O=0.77%、FT=1 290）代入公式（4），计算得FT=1 290.4，流动温度差值为 0.4，在误差范围以内，同样说明蒙神朱三元配煤采用公式（4）计算灰流动温度的模型可靠。2.4建立蒙义朱三元配煤 FT 回归公式蒙义朱三元配煤有较完整分析数据 118 组，利用此 118 组数据对公式（1）进行回归，得公式中各系数：b=744.492 4，K1=-7.65，K2=18.04，K3=2.27，K4=-3.9，K5=-5.1，K6=-16，K7=3.37，K8=47.4，K9=220，K10=4.76。将各系数代入（1）得蒙义朱配煤煤灰流动温度模拟公式：FT=744.49-7.65WSiO2+18.04WAl2O3+2.27WCaO-3.9WFe2O3-5.1WSO3-16WMgO+3.37（WK2O+WNa2O）+47.4WTiO2+220A+4.76B（5）回归公式（5）对应的相关系数 r=0.727 1，查文献8得，对于 118 个样品数据，回归分析相关系数临界值 r0.05在 0.1740.195，r0.01在 0.2280.254，而回归方程相关系数 r=0.727 1，明显高于临界值，说明线性相关度较高，具有实际应用价值。应用已经建立的回归公式（5）对此 118 组数据进行计算，检验预测FT。实测 FT 值与预测 FT 值比较如表 8 所示。表 8蒙义朱三元配煤实测 FT 值与预测 FT 值比较煤种 FT 80 FT 40 备注蒙义朱占比 118 118（100%）115 118（97.46%）总数据 118 个根据 GB T 2192008 灰熔点精密度规定，FT计算值和实测值在偏差允许范围内，说明此模型可靠性。分析数据检验：将 2022 年 6 月 5 日气化入炉配煤的煤粉分析数据（蒙义朱 532，其中 SiO2=42.94%、Al2O3=26.2%、CaO=10.95%、Fe2O3=7.26%、SO3=3.8%、MgO=1.16%、K2O=1.57%、TiO2=1.28%、Na2O=0.98%、FT=1 300）代入公式（5），计算得出 FT=1 293。流动温度的差值为 7，在误差范围以内，说明蒙义朱三元配煤采用公式（5）计算灰流动温度的模型可靠。此外，2022 年 6 月 5 日至 2022 年 7 月 11 日共计有 12 组蒙义朱配煤分析数据，将各配煤灰组成含量分析数据代入公式（5）计算得 12 个预测 FT，并分别与实测 FT 比较，所有 FT 28，说明蒙义朱三元配煤采用公式（5）计算灰流动温度的模型可靠。083第 2 期华桂义.应用原料煤分析数据建立煤灰流动温度模型3实际应用3.1指导气化炉运行当气化炉配煤煤种（煤质或比例）发生变化，由于煤灰流动温度的分析需要一定的时间，此时，可以通过煤灰流动温度的计算，为气化炉运行提供参考。首先根据配煤的煤种选择对应的煤灰流动温度计算公式（2）（5），然后根据单煤种入厂煤分析数据（查 LIMS）及配煤比例，计算配煤的煤灰组分含量，最后将煤灰组分含量代入对应公式，得到煤灰流动温度，作为气化炉温度控制的参考值。当然，气化炉的温度控制还要结合气化炉炉渣形态（颜色及分析数据）、汽包产蒸汽量、工艺气组成、CH4含量、气化炉热电偶温度、渣口压差等多个参数综合分析判断。其中，配煤煤灰组分含量计算公式：xAd=（xAdiAariKi）（AariKi）（6）式中：xAd 表示配煤煤灰中 SiO2、Al2O3等组分含量，%；xAdi 表示单煤种煤灰中 SiO2、Al2O3等组分含量，%；Aari 表示单煤种收到基煤中灰分含量，%；i 表示配煤煤种数，二元配煤 i=1，2；三元配煤 i=1，2，3；Ki 表示配煤煤种的比例，按收到基配比。3.2指导配煤配煤的指导思想：结合煤炭资源、装置情况，尽可能保持配煤煤灰的流动温度相对稳定，以保证气化炉排渣流畅、运行稳定。在入厂煤（单煤种）煤质发生变化、配煤煤种发生改变或配煤比例发生调整时，通过单煤种分析数据和配煤比例进行配煤灰组分含量计算，然后将配煤煤灰组成含量数据代入相应的煤灰流动温度计算公式，若计算值变化较大，则可以适当改变配煤比例，再次进行反复计算，尽可能使流动温度相对稳定。3.3对分析数据进行检验当煤灰流动温度的分析结果和计算结果偏差较大时，及时检查、复检，可保证分析数据的准确，及时对分析中存在的问题进行纠正。4结论1）利用该公司现有煤种数据库建立的主力煤种中蒙（中天）、义马（神优）及朱集西三元配煤煤灰流动温度与煤灰成分关系的 4 个模型，预测结果与实测结果满足 GB 2192008 灰熔点精密度规定要求，模型可靠，可应用于该公司配煤流动温度预测，也可为同类煤种流动温度预测提供借鉴。2）配煤流动温度预测结果可用于指导气化炉操作运行、输储煤装置配煤，同时也可应用于检验配煤样品的可靠性、分析数据的准确性。参考文献1陈文敏，姜宁.煤灰成分和煤灰熔融性的关系 J.洁净煤技术，1996，2（2）：34-37.2戴爱军.煤灰成分对灰熔融性影响研究 J.洁净煤技术，2007，13（5）：23-26.3乌晓江，张忠孝，朴桂林，等.配煤对降低高灰熔融性煤的三元相图分析 J.洁净煤技术，2007，13（3）：64-67.4陈龙，张忠孝，乌晓江，等.用三元相图对煤灰熔点预报研究 J.电站系统工程，2007，123（1）：22-24.5李平，梁钦锋，郭晓镭，等.常用预测煤灰熔融性温度经验公式的适应性研究 J.煤化工，2010，146（1）：17-23.6张德祥，龙永华，高晋生，等.煤灰中矿物的化学组成与灰熔融性的关系 J.华东理工大学报，2003，29（6）：590-594.7Winegartner E C，Rhodes B T.An Empirica1 Study of the Re1ation of Chemica1 Properties to Ash Fusion TemperaturesJ.Eng Power：Trans.AMES，1975（7）：395-406.8王增辉，张好治.概率论与数理统计 M.北京：高等教育出版社，2011：315.SET UP ASH FLUIDITY TEMPERATURE MODEL USING RAW COAL DATAHua Guiyi（Zhongan Unified Coal Chemical Co.，Ltd.，Huainan 232092）Abstract：Raw coal data in LIMS system in a company were classified and studied.The main component in the ash，the silica-alumina ratio and the pH value were correlated with the ash fluidity temperature to set up an empirical formula model for the guidance of coal blending and gasifier operation.It can also be used to calibrate the accuracy and reliability of the analytic data，and provide reference for similar plant.Key words：ash component；ash fusion point；fluidity temperature；silica-alumina ratio；model