石油焦在多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置上的應用

楊 路，王德勝

(寧波中金石化有限公司，浙江鎮海 315203)

隨著國內煤漿氣化的日漸成熟，具有國內自主知識產權的氣化技術受到眾多企業的青睞，因此國內的氣化技術的發展取得了空前的成就。石油焦作為一種高效利用的能源也在水煤漿氣化上取得了一席之地。通過對摻燒石油焦的氣化爐裝置中出現的問題進行分析，以此來達到穩定生產的目的。

石油焦在多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置上的應用在寧波中金石化有限公司(以下簡稱中金石化)屬首次應用，雖然在GE氣化裝置上也有摻燒石油焦裝置的工業應用業績，但是所公開的有關摻燒石油焦的相關數據及文獻較少，并沒有多少可以參考的經驗。在中金石化摻燒的石油焦裝置上出現了較以往氣化裝置異常的現象，渣的分布出現了異常變化，在對工況的判斷上可能出現誘導，同時氣體成分以及壁溫的控制上較使用煙煤的氣化裝置出現了明顯差異。因此，充分了解上述異常現象對裝置的穩定運行有較大的指導意義。

1 對渣性質的影響

氣化渣作為氣化反應的產物，對指導生產具有較高的參考價值。一般來講，正常的渣樣為較均勻的細粒，粗、細渣的比例一般為7∶3或者6∶4。在當渣中圓球狀渣比例減少、出現纖維狀渣時，氣化爐運行已經出現問題。

對渣的影響主要體現在渣中殘碳含量升高，粗渣中水含量增多、細渣比例較多。首先，現場環境太差，由于粗渣中細渣含量較多，導致渣的含水量增多，細渣與水在斜坡段分離不徹底，渣與水的混合物在進入渣車后還會繼續進行分離，部分細渣隨水流至地面，對現場環境影響較大。

粗渣中細渣多的主要原因在于煤漿的粒度分布較差，一定規格比例的細粒子較其他廠家要多1～2倍，雖然細粒子多對氣化反應有利，有利于提高碳的轉化率，但該氣化裝置使用的是7∶3的石油焦，石油焦的反應活性較煙煤差很多。同時，該裝置使用的是特低灰煤種，灰分含量較一般使用的煤種低許多；但是細灰較難被壁面捕捉，不容易形成較大顆粒，被壁面所能夠捕捉的熔融灰顆粒會更少[1]。

從渣的形成考慮，一般使用煙煤作為原料的氣化裝置，熔融的灰分和部分碳在被壁面捕捉以后向下流動；由于渣有一定的黏度，在流經渣口處以滴狀落下，被激冷水淬冷后變形成圓球狀渣。如果溫度低于熔融溫度，最初狀態下細灰含量會增多，在增加氧氣提溫后會出現不規則形狀且尺寸較大的塊渣，形成的圓球狀渣的可燃物幾乎沒有。

在對撈渣機處渣樣分析后發現：在以往的6.5 MPa 氣化爐運行撈渣機處渣樣鎖斗排渣結束后，于其前5 min發現幾乎為圓球狀的渣樣，且對圓球狀渣樣進行分析時發現，渣中碳質量分數基本都<2%，因此可以證明圓球狀基本是灰分。而在摻燒石油焦的裝置運行過程中，發現鎖斗排渣結束后1～2 min為一些大顆粒渣，沒有發現圓球狀渣，且在對圓球狀渣進行分析時發現渣中碳質量分數基本為5%～10%。造成此種現象的主要原因在于鎖斗排渣結束后，由于石油焦的密度遠遠低于煙煤的密度，且煤漿以及石油焦的細粒子較多。在鎖斗排渣后由于大量大細顆粒在水中沉降速度較慢，會阻礙圓球狀渣的沉淀，故在鎖斗排渣結束后撈渣機首先撈出一些粗顆粒渣，然后才是圓球渣。因此，在摻燒石油焦裝置上對渣樣的判斷應與摻燒煙煤的裝置加以區分。而造成圓球狀渣中碳含量高的主要原因就是在于氣化爐操作壓力偏低，水煤氣的流速過高會有部分碳元素不能得到反應就會離開氣化爐。而圓球狀渣的碳元素含量高的主要原因在于，煤漿中的灰分在反應過后被氣化爐的爐壁捕捉到爐壁之上，一方面氣體流速過高，會阻礙碳元素的非均相反應；另一方面，石油焦的反應活性較差，不易進行反應，而被壁面捕捉后與煙煤的灰分混合形成圓球狀的渣。因此，在摻燒石油焦的氣化裝置上圓球狀渣的碳含量偏高。

特別是在德士古氣化裝置中1.5 MPa之前混合器的補水閥時常不打開的，此時水煤氣流速是正常流速的2倍左右，證明氣化爐內的流速也是比較快的，因此在氣化爐剛投料以后氣化爐的CO2含量是高的，圓球渣的數量也不是特別多，水煤氣中的CO2含量特別高，比裝置正常運行多1%～2%。隨著氣化爐壓力的提高，不提負荷只提壓，氣化爐內的溫度上升，CO2的含量下降，渣中圓球渣的數量增多。

2 氣體成分異常

比較使用石油焦以及煙煤的裝置發現，石油焦的CO含量略高于煙煤的CO含量，但是該裝置在全煤工況運行的過程中CO2質量分數基本處于18%～19%，比同類型四噴嘴裝置多2%～4%，導致此種現象發生的主要原因在于煤漿的濃度低，平時只有58%，較其他同類型裝置要低4%～5%。

由于石油焦中的碳質量分數較多(達86%)，而煤中的碳質量分數只有70%，當摻燒石油焦以后，由于碳元素的增加，C+CO2=2CO以及C+H2O=CO+H2反應生成更多的CO，但是中金石化氣化裝置的CO含量較其他裝置低3%左右，原本應該多生成CO，但現在反而減少，其主要原因在于煤漿濃度低。雖然C與O2生成了較多的CO2，但是石油焦的反應活性較差，同時還有大部分被水煤氣直接帶走生成CO2，氣化爐燃燒室內的碳含量相對較少，導致生成CO2后又沒有足夠的碳元素與CO2反應生成CO，并且水蒸氣分壓增加反應速率加快，而在摻燒石油焦的過程中不能加太多氧煤比，最終導致水煤氣中CO2較煙煤裝置多[2-3]。

3 壁溫異常變化

在使用煙煤的氣化裝置上，煤漿和氧氣進入氣化爐反應后產生水煤氣，其中心火焰的溫度在2 150 ℃，氧氣主要在一次反應區消耗殆盡。二次反應主要是吸熱反應，進入折返流區后溫度快速下降至1 400 ℃，由于在折返流區也進行吸熱反應，到達拱頂溫度下降至1 280 ℃。由于爐膛內部溫度相對較低，因此氣化爐爐壁基本處于200 ℃。同時，由于使用煙煤，反應過后爐壁上掛渣相對較多，熱量傳導至耐火磚上就會下降一些。一般容易被捕捉的部位在拱頂和筒體的連接處、燒嘴處、燒嘴下部的筒體處以及渣口處。因此，在使用煙煤作為原料時爐壁溫度相對低一些。

在該氣化裝置摻燒石油焦后發現，壁溫比單獨使用煙煤原料時的壁溫要高。石油焦的反應活性較煙煤差許多，想要獲得較高的碳轉換率，必須控制較高的氧煤比；而且由于石油焦的活性較差，燒嘴的霧化黑區較煙煤霧化黑區短，在靠近拱頂部分還會進行一次反應，而拱頂處的碳也會有部分未與氧氣反應。因此，在摻燒石油焦的裝置上拱頂氣相溫度高達1 428 ℃，故在摻燒石油焦的過程中應嚴格控制氧煤比。

4 結語

通過對摻燒石油焦后出現的較以往裝置的異常，證明下列問題：①在摻燒石油焦以后，渣的分布較以往會有差別，但是這也是摻燒石油焦后的正常現象，仍可作為當前爐溫是否合適的依據。②摻燒石油焦后，由于氣化爐壓力低、煤漿濃度

低、煤漿中細粒子含量較多等原因導致出現有效氣組分低的現象，如果想要獲得較高的碳轉化率，還需要做大量的摸索。③摻燒石油焦后，氣化爐的壁溫會出現升高的現象，想要緩解壁溫偏高的現象，還應從摻燒石油焦的比例以及煙煤的性質多做工作。

參考文獻

[1] 張濤，趙岐.石油焦在多噴嘴水煤漿氣化裝置中的應用[J].中氮肥，2016(5)：50- 52.

[2] 于海龍，劉建忠.石油焦水煤漿在新型氣化爐內氣化過程的數值計算[J].動力工程學報，200，27(5)：820- 824.

[3] 瞿國華，王輔臣.高硫石油焦氣化制氫工藝在煉油工業中的發展前景[J].當代石油石化，2010，18(10)：1- 6.