本发明涉及一种指导气化炉操作的原煤品质预测及改善方法。
背景技术：
：原煤品质是决定气化炉操作的关键因素，行业普遍采用调整气化炉温度来适应原煤品质的波动，或添加助剂改善原煤品质来适应气化炉温度。因此气化炉温度是气化炉操作的关键指标，目前气化炉温度设定依据为原煤灰熔点温度+(50-100)℃，或根据原煤黏温特性中设定黏度对应的温度。根据灰熔点进行温度设定存在缺陷，无法科学的指导气化炉温度设定。根据原煤黏温特性进行温度设定，其检测过程复杂、费时，通常煤样要经过破碎、筛分、混均、干燥、灰化、制熔渣、预熔、仪器测试等过程，单个煤样的分析时间是32-40小时。并且需要使用大量的耗材，测试的费用昂贵，从而不能满足气流床气化炉的生产需要。同时气化炉温度计受内部环境影响，存在较大偏差，无法进行精准有效控制。现阶段，国内外专家学者通过寻求灰成分与灰黏度的关系，建立了预测灰黏度的经验关系式，但这些经验关系式均较为复杂难懂，不便于计算，再者其计算精度也较低。周安宁申请的“一种煤灰黏温特性的预测方法，专利号为：cn107045658a”，采用矿物质含量来预测煤灰的黏温特性，但利用x-荧光光谱仪只能检测煤灰表面矿物质含量，存在局限性。同时只能预测原煤是否能够使用，无法进行气化炉使用指导和原煤改善。因此需要研发一种精准快捷的预测、改善和使用指导方法及模型，切实有效的应用到生产中。技术实现要素：本发明的主要目的是提供一种指导气化炉操作的原煤品质预测及改善方法，该方法可以快速判别原煤品质并进行原煤品质调整，以便提供气化炉最佳操作参数。本申请的方法能有效解决目前原煤预测慢而不准、气化炉指导不足等局限性和不确定性问题。为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。一种指导气化炉操作的原煤品质预测及改善方法，其包括以下步骤：(1)原煤品质预测模型建立对原煤烧灰，并对所得煤灰进行预处理，检测所述煤灰中硅、铝、钙、铁、镁元素的含量，比如利用icp(电感耦合等离子光谱发生器)检测，并分别换算成sio2、al2o3、cao、fe2o3、mgo，并基于sio2、al2o3、cao、fe2o3、mgo的总重量之和，计算出各氧化物重量占所述总重量的百分数(即，进行归一处理)；然后检测(比如利用高温黏度仪检测)所述煤灰在1100-1500℃内的煤灰黏度，将各数据汇总成数据库，并通过数据线性回归得到原煤品质预测模型；优选地，所述原煤品质预测模型如下：t30＝a1x1+a2x2+a3x3+a4x4+a5x5-k1(ⅰ)t2.5＝b1x1+b2x2+b3x3+b4x4+b5x5-k2(ⅱ)△t＝t2.5-t30(ⅲ)其中，t30：当煤灰的粘度为30pa·s时所对应的温度；t2.5：当煤灰的粘度为2.5pa·s时所对应的温度；△t为t30和t2.5的差值，x1、x2、x3、x4、x5分别为煤灰中sio2、al2o3、cao、fe2o3、mgo的质量百分数；a1、a2、a3、a4、a5分别为t30对应的sio2、al2o3、cao、fe2o3、mgo的多元回归拟合系数；b1、b2、b3、b4、b5分别为t2.5对应的sio2、al2o3、cao、fe2o3、mgo的多元回归拟合系数；k1和k2分别为修正常数；优选地，利用数据处理软件minitab(minitab16statisticalsoftware，minitab公司)中的统计回归功能，对数据线性回归得到所述原煤品质预测模型。在一个实施方式中，所述烧灰预处理步骤为将原煤在600-900℃烧灰2-5h制备得到煤灰，添加相对所述煤灰40-50倍质量的无机碱，并在600-800℃下熔解0.5-3h，优选地，熔解时的升温速率为10-30℃/min，然后在80-90℃环境下用无机酸将熔解液调节成中性溶液，以用于icp分析。在一个实施方式中，所述无机碱可以为金属氢氧化物，优选为氢氧化钠和氢氧化锂中的至少一种。在一个实施方式中，所述无机酸优选为硫酸和硝酸中的至少一种。(2)气化操作指导模型建立通过元素分析仪检测原煤中的碳、氢、氧、氮、硫的含量；利用弹桶量热仪测得原煤在不同氧煤比条件下，例如氧煤比为300-800条件下的的发热量，将各数据汇总成数据库，并通过数据线性回归得到气化炉操作指导模型。优选地，所述气化炉操作指导模型如下：yq＝q1/(c1y1+c2y2+c3y3+c4y4+c5y5+k3)(ⅳ)q1＝k4*q2(ⅴ)q2＝cp*(t-40)(ⅵ)yq：发热量为q1时的氧煤比值；y1、y2、y3、y4、y5分别为原煤中c、h、o、n、s的质量百分数；c1、c2、c3、c4、c5分别为yq对应c、h、o、n、s的多元回归拟合系数；k3为修正常数；q1为气化炉内每kg原煤燃烧的发热量；q2：每kg工艺气达到气化炉温度t需要的热量；k4为气化炉内每kg原煤发热量q1与每kg工艺气达到气化炉温度t需要的热量q2的比例系数；cp为气化炉操作压力下工艺气的比热容；t为气化炉所需温度。本领域技术人员理解，对于煤气化所得工艺气的比热容，cp，其可通过实验测定，或者通过查阅化工热力学书籍或使用aspen计算此工况下的工艺气体比热容。在一种实施方式种，确定比热容时，所述工艺气可以co：47％，h2：35％，co2:17％，其余组分(可记为水蒸气)为1％的组成计算。优选地，利用minitab中的统计回归功能，对数据线性回归得到所述气化炉操作指导模型。(3)原煤品质预测及气化炉操作指导方法根据所述原煤品质预测模型对原煤品质进行预测，a)若所述原煤品质的预测结果表明所述原煤适于气化炉单独使用，则根据所述气化炉操作指导模型输出所述原煤对应气化炉的操作参数；b)若所述原煤品质的预测结果表明原煤不适于气化炉单独使用，并根据所述原煤品质预测模型对所述原煤中硅、铝、钙、铁、镁元素含量的进行调整，例如通过配煤或添加含有硅、铝、钙、铁、镁元素的物质，例如相应的氧化物，来调整原煤中相应元素的含量，使得调整后的原煤的品质预测结果表明其适于气化炉单独使用，然后按照步骤a)操作。根据原煤黏温特性研究，原煤中的碱性金属物质(钙、铁、镁)含量增加可降低△t值，因此优选添加含硅元素的酸性物质进行调整，例如砂石、陶土或玻璃，以使所述原煤适于气化炉单独使用。在本文中，所述线性回归是利用数理统计中的回归分析，来确定两种以上变数间相互依赖的定量关系，其中mintab中的统计/回归具备此功能。在一个实施方式中，在所述步骤(3)中，对于顶喷气化炉(即气化原料的进料喷嘴设置在气化炉的气化室的顶部，例如德士古气化炉)t＝30℃，而水平对喷气化炉(即气化原料的进料喷嘴设置在气化炉的气化室的侧壁，例如四喷嘴气化炉)t＝50℃。若△t>t，则表明所述原煤适于气化炉单独使用；若不满足△t>t，则表明需要按照步骤b)进行操作，以对所述原煤进行原煤品质改善优化。在一个实施方式中，若所述原煤适于气化炉单独使用，则将t30和t2.5分别代入所述热量计算公式(ⅵ)中的t，得到q2的范围(即分别对应于t30和t2.5的热量q2所形成的范围)，并根据所述氧煤比模型公式(iⅴ)和(ⅴ)输出所述原煤在相应气化炉中的操作参数范围，即气化炉中一定原煤输出量下的氧气流量的范围。本发明具有以下优势：1、本发明的原煤品质预测方法精度高(实施例中显示t30和t2.5拟合方差分别为98.1％和99.2％)，可满足装置实际生产需求，同时大幅缩短原煤分析时间，并实现低成本快速预测判别原煤品质；2、通过模型计算能够预知气化炉操作参数，避免了温度计异常等情况带来的风险和隐患；3、可由原煤品质预测模型为指导，改善原煤品质，无需复杂的计算和繁琐的实验验证。4、针对于目前的气化炉形式应用性广、精度高。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例对本发明进行进一步详细说明。实施例1原煤在600℃烧灰2h制备得到煤灰，添加相对所述煤灰40倍质量的氢氧化钠固体，并在600℃下熔解0.5h，熔解时的升温速率为10℃/min，然后用硫酸将所述熔解液调节成中性溶液，进行icp检测所述煤灰中硅、铝、钙、铁、镁元素的含量。实施例2原煤在900℃烧灰5h制备得到煤灰，添加相对所述煤灰50倍质量的氢氧化锂固体，并在800℃下熔解3h，熔解时的升温速率为30℃/min，然后用硫酸将所述熔解液调节成中性溶液，进行icp检测所述煤灰中硅、铝、钙、铁、镁元素的含量。实施例3原煤在850℃烧灰2h制备得到煤灰，添加相对所述煤灰50倍质量的氢氧化钠固体，并在650℃下熔解1h，熔解时的升温速率为20℃/min，然后用硫酸将所述熔解液调节成中性溶液，进行icp检测所述煤灰中硅、铝、钙、铁、镁元素的含量。表1不同方法测得的煤灰矿物质含量标准煤灰和实施例1的检测结果显示sio2偏差0.12％，al2o3偏差0.1％，cao偏差0.13％，fe2o3偏差0.12％，mgo偏差0.11％。标准煤灰和实施例2的检测结果显示sio2偏差0.06％，al2o3偏差0.09％，cao偏差0.11％，fe2o3偏差0.09％，mgo偏差0.09％。标准煤灰和实施例3的检测结果显示sio2偏差0.04％，al2o3偏差0.01％，cao偏差0.02％，fe2o3偏差0.05％，mgo偏差0.03％。实施例1-3的原煤为同一批次的原煤，标准煤灰由国家标准物质中心提供，gbw11130a。实施例4以神华原煤为例，结合本发明方法建立模型进行预测和调整，并将指导方案应用到气化炉实际生产中。选取不同批次的原煤在850℃烧灰2h制备煤灰，添加相对煤灰50倍质量的氢氧化钠固体，在650℃熔解1h，熔解时升温速率为20℃/min，采用硫酸调节成中性溶液，进行icp检测硅、铝、钙、铁、镁元素，并换算成sio2、al2o3、cao、fe2o3、mgo物质，进行归一处理；利用高温黏度仪检测温度在1100-1500℃内的煤灰黏度，表2中仅列举了30组建模样本。表2原煤矿物质含量与黏温特性关系数据表利用minitab中的统计回归功能，对数据线性回归得到原煤品质预测模型：t30＝225x1+229x2+216x3+222x4+215x5-21057(ⅰ)t2.5＝298x1+300x2+288x3+286x4+298x5-28098(ⅱ)根据预测模型通过上述表中矿物质含量对原煤样品进行温度预测，通过数据回归分析拟合公式方差，对于t30为98.1％，对于t2.5为99.2％。方差反馈公式计算数据与实际数据的拟合关系，100％说明公式计算数据和实际数据完全一致。将待评估预测的原煤通过icp分析出sio2、al2o3、cao、fe2o3、mgo矿物质含量，将其归一后代入预测模型的公式(ⅰ)和(ⅱ)，得出t30和t2.5，并计算出温度差值△t。对于顶喷气化炉t＝30℃，而水平对喷气化炉t＝50℃。若△t>t，则表明原煤适合气化炉单独使用；反之则否，则表明原煤需要进行原煤品质改善优化。对于不适合气化炉单独使用的原煤，根据原煤品质预测模型，通过添加相应物质调整原煤中硅、铝、钙、铁、镁元素含量，以满足气化炉使用要求。通过元素分析仪检测原煤中的碳、氢、氧、氮、硫各物质含量；利用弹桶量热仪测得氧煤比在300-800条件下的发热量，表3中仅列举了10组建模样本。表3原煤中的碳、氢、氧、氮、硫各元素质量含量与原煤发热量或氧煤比的关系数据表上表中的发热量为实验室测得的每kg原煤燃烧的发热量。氧煤比为所用氧气流量(nm3/h)与煤浆流量(m3/h)的比值，其中煤浆浓度为62％。进行煤炭气化的气化炉的压力等级为6.5mpa，温度t的大小在t30～t2.5之间。对于各原煤样品，通过aspen软件(aspen9，aspen公司)查阅6.5mpa、t30和t2.5中值条件下的cp。利用minitab中的统计回归功能，对数据线性回归得到气化炉操作指导模型：y＝q1/(1838934-20721y1-6311y2-19420y3+1408y4+30107y5)(ⅳ)q1＝8*q2(ⅴ)q2＝cp*(t-40)(ⅵ)以下以原煤样本2、6和23为例，对原煤品质预测方法和气化炉操作指导方法进行说明，必要时调整原煤中矿物质含量，以改善原煤品质。表4样本2、6和23的原煤中的碳、氢、氧、氮、硫各元素含量以样本23为例，预测t30为1208℃，t2.5为1329℃，△t＝121℃，表明该批原煤适合气化炉单独使用；实测t30为1215℃，t2.5为1329℃，△t＝114℃，偏差＜6％，预测结果接近实际测量结果。将碳、氢、氧、氮、硫元素含量(参见表4)代入气化炉操作指导模型公式(ⅳ)、(ⅴ)和(ⅵ)，得出气化炉氧煤比需控制在466～502。在原煤实际使用过程中，将气化炉氧煤比控制在475-485，操作温度为1230-1270℃，运行正常，未出现堵渣迹象。通过预测发现样本2和样本6的△t＜50℃，无法满足水平对喷气化炉使用要求，且样本6的△t＜30℃，无法满足顶喷气化炉使用要求，因此需要进行改进使用。通过向样本2煤灰中加入相对样本2的原煤质量为6.26％的碎玻璃，调整原煤中矿物质含量，预测t30为1192℃，t2.5为1244℃，△t＝52℃，实测t30为1185℃，t2.5为1242℃，△t＝57℃，满足水平对喷气化炉使用要求。将碳、氢、氧、氮、硫元素含量(参见表4)带入气化炉操作指导模型公式(ⅳ)、(ⅴ)和(ⅵ)，得出气化炉氧煤比需控制在390～399。在原煤实际使用过程中，将气化炉氧煤比控制在390-398，操作温度为1200-1235℃，运行正常，未出现堵渣迹象。表5样本2改善前后煤灰矿物质含量数据表sio2al2o3caofe2o3mgo改善前35.7415.2328.7319.141.16改善后39.5314.3327.0418.011.09通过向样本6煤灰中加入相对样本6的原煤质量为1.29％的碎玻璃，改善原煤中矿物质含量，预测t30为1261℃，t2.5为1293℃，△t＝32℃，实测t30为1266℃，t2.5为1301℃，△t＝35℃，满足顶喷气化炉使用要求。将碳、氢、氧、氮、硫元素含量(参见表4)带入气化炉操作指导模型公式(ⅳ)、(ⅴ)和(ⅵ)，得出气化炉氧煤比需控制在513～522。在原煤实际使用过程中，将气化炉氧煤比控制在512-520，操作温度为1260-1290℃，运行正常，未出现堵渣迹象。表6样本6改善前后煤灰矿物质含量数据表sio2al2o3caofe2o3mgo改善前41.716.7120.0520.610.92改善后42.4916.0519.6419.462.36最后应当说明的是，以上实施例仅用以本发明的优选实施方式进行描述，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。当前第1页12