煤質對加壓魯奇爐運行的影響及相應對策

2012-10-20 04:43:12張鳳鳴

化工設計通訊 2012年6期

張鳳鳴

（河南煤業化工集團煤氣化公司義馬氣化廠，河南義馬 472300）

煤氣化技術是以煤為基礎原料的能源及化工系統關鍵的制氣技術之一，煤化工正在成為世界范圍內高效、清潔、經濟開發及利用煤炭的熱點技術和重要的發展方向。從當前國內外煤氣化技術發展趨勢看，氣化壓力向高壓發展，氣化裝置的能力向大型化發展，新型氣化技術的研發采取與企業聯合進行工業化開發，是氣化技術發展的模式。固定床氣化技術是 “歷史最為悠久”的煤氣化技術，也是目前全世界最為成熟的塊煤氣化技術，研究固定床氣化技術對不同煤種和煤質適宜的操作條件，尤其是入爐煤的灰含量、灰熔點、水含量、煤粒度以及發熱量對氣化爐穩定運行的影響，探索最佳氣化操作條件，對擴大該爐型的煤種適應性及節能降耗等具有重要的指導意義。

1 灰含量對氣化過程的影響

煤中灰含量增加時，蒸汽分解率、氣化強度等技術指標下降，不利于生產。灰含量增加，煤中固定碳和揮發分含量下降。為了防止爐內灰分結渣，需要適當地提高汽氧比，以降低爐內操作溫度。此時氣化反應速率降低，蒸汽分解率降低，污水產量增大，粗煤氣產量下降，進而導致煤耗升高。同時，高溫渣帶走的熱量增大，灰渣中殘碳含量會略有增加，氣化爐的熱效率和氣化效率降低。

另外，隨著煤中灰分含量的增加，設備磨損加劇：一是爐箅刮刀、護板等部件；二是煤、灰鎖上、下閥的運轉周期縮短，設備檢修頻次增加，導致開停車過程原料消耗量增加，造成粗煤氣的隱性生產成本升高。我廠2011年1～6月份入爐的煤質太差，灰分總含量平均值約為32.73%，氣化爐爐箅磨損嚴重，其中1＃氣化爐爐箅705蓋板磨透后卡住灰鎖上閥，導致氣化爐停車。

鑒于以上情況，建議在選擇入爐原料煤時，盡量選擇灰分含量較低的塊煤，如確因煤炭市場或運輸等因素導致煤炭供應緊張，灰含量可以短時間內適當放寬，但以灰含量（空氣干燥基）不超過35%為限［1～3］。

2 灰熔點對氣化過程的影響

灰熔點是影響魯奇爐運行的另一個重要參數。魯奇爐的操作溫度介于煤的變形溫度和軟化溫度之間。入爐煤灰熔點高，則操作時可以適當降低汽氧比，相應提高爐溫，這樣，蒸汽分解率增加，氣化反應劇烈，有利于制氣。義馬氣化廠的魯奇爐原始設計受爐箅及內件選材等因素制約，蒸汽不能無限制降低，否則可能會燒損爐箅及其內件，因此，灰熔點控制在1150～1250℃之間較為適宜。當煤的灰熔點降低，操作時就需要適當提高汽氧比，相應降低爐溫，此時蒸汽分解率降低，污水產量增加，氣化反應速度減緩，不利于制氣，裝置運行的經濟性變差。因此，入爐煤灰熔點要盡可能控制在一定的范圍內，不能有太大的波動［2］。

在實際生產過程中，由于入爐煤質存在多樣性，入爐煤的灰熔點也就各不相同。魯奇爐操作時，需要一個最佳汽氧比，即控制氣化爐內的反應溫度，既不能因汽氧比過高造成細灰過多，導致排灰困難，也不能因汽氧比偏低造成結渣而無法排灰的現象出現。若每批次的入爐煤灰熔點相差較大，再無配煤操作的情況下，在實際操作中就無法選擇最佳的汽氧比。

過低的汽氧比容易造成灰熔點較低的灰顆粒結渣，影響氣化劑在床層內的均勻分布，導致氣化爐工況的惡化。另外，過低的汽氧比有可能達到灰的熔融溫度，熔融部分的灰渣將灰熔點較高的煤灰包裹，從而阻礙氣化劑與原料的充分接觸，不利于氣化反應，導致原料的流失，表現為爐渣殘碳含量過高。相反，選擇高的汽氧比，則高灰熔點的灰分表現為灰細，不利于排灰和制氣，同時增加污水的產量。

2011年8月份，我廠入爐煤灰熔點差別較大，最低的為1080℃，最高的為1290℃。分析化驗灰樣，結果灰樣中殘碳含量升高，說明是因為灰熔點差別較大，配煤不合理，導致灰渣殘碳含量過高，未反應完全的碳隨灰渣流失，造成塊煤單耗升高。

鑒于此，選擇入爐煤時應將煤的灰熔點作為一項重要的控制指標，選購灰熔點相近的煤種。如灰熔點相差較大，應在煤場分類堆放，采取合理的配煤操作，配煤時需將灰熔點相近的煤質相互搭配。適當增加煤質灰熔點的分析頻次，盡量避免頻繁切換入爐煤質，同一灰熔點區間的煤要使用一段時間后再轉為另一區間的煤，為氣化爐選擇最佳汽氧比操作創造條件。

3 粒度對氣化過程的影響

魯奇氣化技術對原料煤的粒度要求較高，粒度范圍為8～50mm，要求8mm以下的物料不超過5%，50mm以上的物料也不超過5%。粒度大小和分布范圍的不同，會造成氣化爐同一床層截面煤的比表面積不同。在同一床層截面上，氣化劑的分布是均勻的，比表面積大的煤需要的氧氣多，若粒度大小和分布范圍不同，就會造成爐內同一床層的反應速度不同，爐箅排灰拉動床層下移卻是均勻的，比表面積小的大粒度煤，因單位時間內反應不完全和灰渣一起排出，灰中殘碳量就會升高，殘碳在灰鎖中繼續反應使灰鎖溫度升高。碳的流失使產氣率下降，塊煤單耗升高。不同粒度的煤在爐內氣化時，床層阻力也不同，氣化劑的均布受到影響，進而影響氣化爐的運行工況和生產負荷的提高。

目前，我廠入爐煤的粒度分布情況是，大于50mm的煤偏多，氣化不完全；5～13mm和大于50mm的煤偏多，容易產生小粒度填充大粒度間隙的現象，同時還會出現大粒度遍布氣化爐床層四周，而小粒度集中于中央，引起床層堆密度不均，局部阻力增大，氣化劑通過床層時會出現阻力小的部位通過的氣化劑量大，阻力大的部位通過的氣化劑量小，造成氣化爐運行工況不好，影響粗煤氣的產量。

因此，入爐煤在其他性質不變的條件下，根據實踐經驗，要求粒度的控制范圍如下：8mm以下的物料不超過5%，50mm以上的物料不超過5%，8～50mm的在90%以上。

4 發熱量對氣化過程的影響

氣化爐內大約30%的入爐煤燃燒所放出的熱量作為氣化過程所需的反應熱。影響煤發熱量的主要因素是固定碳和揮發分含量。煤的發熱量高，灰含量低，煤的質量就越好。隨著入爐煤發熱量的升高，煤在爐內的燃燒量減少，可用于氣化的原料煤相對增加，氣化過程產生的粗煤氣量增加，有效氣成分增加，有利于制氣。此時，氧化層反應更完全，灰渣殘碳含量減少，參與有效氣化反應的原料煤量相對增加，爐內還原層、干餾層、干燥層高度拉長，煤的停留時間相對增長，灰層、氧化層高度相對縮短。氣化爐的運行工況主要表現為，出口溫度穩定在420～450℃；灰鎖溫度在330～350℃，揮發分被氣化的比例增加，粗煤氣產量升高，煤耗下降，從而更有利于推動氣化反應，有效地利用原料煤［1～3］。

圖1 2011年1～8月份同一煤種原料煤固定碳及揮發分含量與塊煤單耗統計圖

從圖1可以看出，煤的固定碳和揮發分含量升高（即發熱量升高），塊煤單耗下降，也就是說同一煤種的發熱量越高，煤質越好，越有利于氣化［3］。

表1是對2011年來單臺氣化爐氧負荷、入爐煤發熱量、塊煤單耗的統計，對比分析，基本可以說明氣化爐生產能力與煤發熱量及煤耗之間的關系。

表1 2011年入爐煤分析統計對比表

上述統計數據表明，入爐煤發熱量越高，煤的利用率越高，煤耗越低。

5 水分對氣化過程的影響

煤的內在水分屬煤的固有特性，不作特別說明。煤的外在水分卻對氣化爐的經濟運行影響較大。水分過大時，會導致篩分效果變差，堵塞篩板，且塊煤表面粘附末煤，入爐后影響氣化爐的運行，還容易造成煤鎖膨料，加煤不暢，運行負荷下降［4］。因此，要嚴格控制入廠煤水分，干煤入廠后要加蓋遮雨棚或存于干煤棚中，避免入廠干煤在煤場變成濕煤。