王超
［恒力石化（大连）炼化有限公司，辽宁 大连116318］
［摘 要］恒力石化（大连）炼化有限公司炼化项目配套气化装置设有6台多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉（五开一备），单炉投煤量3 000 t/d（干基），设计操作压力6.5 MPa、操作温度＜1 350 ℃。鉴于水煤浆气化炉掺烧石灰石具有固硫及助熔作用，2024年3月在1#气化炉进行石灰石掺烧试验，评估掺烧石灰石对气化炉效能、粗合成气质量、灰渣特性、气化炉温度分布、污染物排放等方面的影响，结果表明，此举在降低污染物排放、改善灰渣特性、提高气化效率等方面有显著的效果。2024年6月恒力炼化针对高灰熔点原料煤开始全面掺烧石灰石，在系统工艺参数调整与优化、设备运行与维护、环保效益与经济效益平衡等方面取得了一些经验，并就石灰石掺烧中面临的诸多问题与挑战提出了有针对性的优化措施与建议。
［关键词］多喷嘴水煤浆气化炉；高灰熔点原料煤；石灰石；掺烧试验；运行总结；问题与挑战；掺烧方案优化
［中图分类号］TQ544 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2025）04-0030-03
0 引 言
煤炭作为我国主要的化石能源之一，其清洁高效利用对于保障能源供应与环境保护具有重要意义。近年来，水煤浆气化技术凭借其高效、环保等优势，已成为现代煤化工领域的核心技术之一，在煤炭高效清洁利用方面发挥着重要作用。然而，气化过程中产生的污染物排放问题仍是制约水煤浆气化技术进一步发展及应用的关键因素。为降低污染物排放、提高气化效率与粗合成气质量，水煤浆气化炉掺烧石灰石日益受到关注。
恒力石化（大连）炼化有限公司（简称恒力炼化）炼化项目配套气化装置设有6台多喷嘴对置式水煤浆加压气化炉（五开一备），单炉投煤量3 000 t/d（干基），设计操作压力6.5 MPa、操作温度＜1 350 ℃。以下基于恒力炼化多喷嘴水煤浆气化炉掺烧石灰石的实践经验及有关资料进行梳理与总结，通过对大量试验数据与实际生产情况的详细分析，探讨掺烧石灰石对气化炉效能、粗合成气质量、灰渣特性、气化炉温度分布、污染物排放等方面的影响，并提出一系列有针对性的优化措施及建议，可为业内提供一些参考与借鉴。
1 水煤浆气化炉掺烧石灰石的作用
1.1 固硫作用
石灰石的主要成分为碳酸钙，其具有较高的热分解温度和良好的化学稳定性。在高温环境下，碳酸钙会分解生成氧化钙和CO2，氧化钙与煤中的硫化物（主要是硫化氢和有机硫）发生化学反应（如2CaO+2SO2+O22CaSO4）生成稳定的硫酸盐，从而实现固硫的目的，减少SO2的排放。
1.2 助熔作用
石灰石分解产生的氧化钙可以降低煤的灰熔点，改善灰渣的流动性，有利于水煤浆气化炉的稳定运行。实际工业应用中，通过控制石灰石的添加量，可有效地将煤的灰熔点降低几十甚至上百摄氏度，显著改善灰渣的流动性，使气化装置能够更加稳定和高效地运行。石灰石助熔作用具体体现如下。
1）改变煤灰的化学组成。煤灰通常包含多种矿物质成分，如硅、铝、铁等的氧化物。氧化钙会与这些矿物质发生化学反应，形成新的低熔点化合物。例如，氧化钙与二氧化硅和三氧化二铝可以形成钙铝硅酸盐等低熔点的复杂化合物，从而降低煤的灰熔点。
2）共熔作用。氧化钙自身具有相对较低的熔点，当它与煤灰中的其他成分混合时，会产生共熔现象——共熔是指两种或多种物质在一定比例下混合时其熔点低于各自单独存在时的熔点[1]，有助于降低煤的灰熔点，使灰渣在较低温度下就能开始熔化，从而改善其流动性。
3）改变煤灰中矿物质的结构。氧化钙可以破坏煤灰中原有矿物质的晶体结构，使其变得更加无序和松散，这种结构的改变降低了矿物质之间的结合能，使其在较低温度下更易滑动与流动，从而改善灰渣的流动性。
4）降低灰渣的黏度。低熔点的化合物和共熔混合物通常具有较低的黏度，在煤灰熔化形成灰渣的过程中，较低的黏度可使灰渣能够更顺畅地流动，减少堵塞与结块的可能性。
2 掺烧石灰石试验设计与研究方法
2024年3月，恒力炼化将1#多喷嘴水煤浆气化炉（其炉况相对较好）作为试验炉，选用具有代表性的煤种和优质石灰石作为试验原料，试验参数设置如下。
1）石灰石掺烧比例。设置不同的石灰石掺烧比例，如1.0%、2.0%、10%等[石灰石（干基）与原料煤（干基）的质量百分比，下同]，以研究其对气化过程的影响。
2）气化炉操作条件。气化温度、压力、氧煤比、负荷等关键参数控制在指标范围内，调整这些参数以考察其与石灰石掺烧的协同作用。
3）分析测试方法。运用多种先进的分析测试手段（设备），如气相色谱仪、元素分析仪、X射线荧光光谱仪等，对煤灰黏温特性曲线、煤灰成分、气化产物成分、灰渣物相组成等进行精确分析。
3 掺烧石灰石试验结果与分析
3.1 掺烧石灰石对粗合成气成分及产量的影响
水煤浆气化炉掺烧石灰石对粗合成气中H2、CO、CO2等主要成分的含量产生了一定的影响。适量掺烧石灰石（掺烧比例＜10%）的情况下，粗合成气中的H2和CO含量略有增加、CO2含量相应减少，粗合成气产量略有增加。其原因主要为，石灰石改善了灰渣的流动性，使气化剂与煤浆接触更加充分，气化效率提高。但当石灰石掺烧比例过高（15%）时，粗合成气中有效成分含量明显下降，粗合成气产量也有所降低，这主要是过多的石灰石分解消耗了热量而致气化反应不完全。不同石灰石掺烧比例下粗合成气成分见表1。
3.2 掺烧石灰石对灰渣特性和黑水/灰水的影响
水煤浆气化炉掺烧石灰石显著改变了灰渣的物相组成比例与物理性质。通过X射线荧光光谱仪分析发现，灰渣中出现了更多的钙铝硅酸盐等矿物质相，提高了灰渣的稳定性[2]。灰熔点随着石灰石掺烧比例的增加而降低，煤灰黏度也有所减小，从而改善了灰渣的流动性，有利于其排出气化炉——煤灰黏度≤25 Pa·s时，视为灰渣在气化炉内可正常液态流动[3]。选取2024年3月嘉顺山-V371（陕煤）作为试验煤种，随着石灰石掺烧比例的增加，灰熔点发生了明显变化，在较低的掺烧比例（1.0%）下，灰熔点已有明显下降，降低了143 ℃（由1 418 ℃降至1 275 ℃）；当石灰石掺烧比例增加至2.0%时，灰熔点下降变得较为缓慢，灰熔点在掺烧1.0%石灰石的基础上降低了67 ℃（由1 275 ℃降至1 208 ℃）；进一步将石灰石掺烧比例增加至3.5%时，灰熔点反而增高了11 ℃（由1 208 ℃升至1 219 ℃）。
水煤浆气化炉掺烧石灰石后，黑水/灰水硬度增加，Ca2+浓度上升而易致结垢；黑水/灰水pH升高，碱性增强；悬浮物含量增多，且因石灰石引入（夹带）杂质，还会影响黑水/灰水水质的稳定性及其后续处理效果，可通过适度加大灰水分散剂用量及优化灰水分散剂配方等予以调控。
3.3 掺烧石灰石对气化炉温度分布的影响
更多内容详见《中氮肥》2025年第4期