4.0 MPa碎煤加壓氣化爐10 000 m3/h(標態)氧負荷運行總結

趙杰豐，李英杰

(河南理工大學，河南焦作 454000)

河南晉煤天慶煤化工有限責任公司(以下簡稱晉煤天化)氣化工藝選用魯奇碎煤加壓氣化技術[1-2]，氣化爐采用賽鼎工程有限公司在魯奇爐Mark- IV型上的改進爐型，規格為Ф 4 000 mm×13 000 mm，操作壓力4.0 MPa，設計5開1備。

1 煤質分析

原料煤采用晉城15#塊煤，屬于中灰、富硫、高發熱量無煙煤，其基本煤質特征是：灰分質量分數在20%左右，硫質量分數在2.0%～2.5%，灰熔融性溫度高，一般大于1 450 ℃。入爐煤質分析和灰熔點分析數據分別見表1和表2。

表1 入爐煤質分析結果

表2 灰熔點分析數據 ℃

通過前期運行，晉煤天化于2017年7月進行了氣化爐單爐負荷摸高試驗，最高負荷達 10 000 m3/h(標態)，氣化爐試驗運行穩定，各項指標正常，氣體成分明顯得到優化，有效氣含量提高至70%，蒸汽分解率顯著提高，取得了較好的效果。

2 主要數據對比

2.1 氣化爐進、出主要物料參數

氣化爐主要進、出物料參數的對比見表3。

由表3可以看出：氧負荷達到10 000 m3/h(標態)時，單爐粗煤氣流量可達60 000 m3/h(標態)，為設計值的150%，蒸汽、煤、中低鍋爐給水用量均有上漲；其中，中壓鍋爐給水用量上漲明顯，提高了50%左右，這主要是因為單爐負荷提高，爐內反應加快，需移除熱量增加而導致的。

隨著負荷提高，雖然氣化爐進、出物料用量增加，但粗煤氣耗氧量基本保持不變，蒸汽消耗相應降低，主要是因為耗氧量與煤質的關系較大，若煤質未發生大的變化，其耗氧量基本不變；蒸汽消耗的降低，主要是隨著負荷的提高，蒸汽分解率增加，從而導致了總蒸汽用量的減少[3]。

2.2 主要工藝指標

氣化爐主要運行工藝指標見表4。

表3 氣化爐主要進、出物料參數的對比

表4 氣化爐主要運行工藝指標的對比

由表4可以看出：對于晉城15#塊煤，當氣化爐壓力4.0 MPa、氧負荷10 000 m3/h(標態)時，汽氧比的合適值為(4.85±0.05)kg/m3(標態)，此時氣化爐運行的各項指標，除灰鎖溫度和氣化爐與夾套壓差偏高外，均在正常指標控制范圍內。

灰鎖溫度報警值為400 ℃，氣化爐10 000 m3/h(標態)運行時，極易出現灰鎖溫度持續下降趨勢。為保證氣化爐穩定正常下灰，汽氧比每次調整幅度為0.05 kg/m3(標態)，正常調整幅度為0.1 kg/m3(標態)，平均爐箅轉速為3 r/h(2把刮刀)。當出現灰鎖溫度持續下降趨勢時，操作人員應及時加大爐箅轉速，并拉起灰鎖溫度。

氣化爐與夾套壓差隨負荷的增大而增大，正常操作值小于50 kPa，報警值為100 kPa，聯鎖值150 kPa。高負荷運行時，當負荷達10 000 m3/h(標態)時，需格外注意氣化爐與夾套壓差。

2.3 粗煤氣氣體成分

氣化爐粗煤氣氣體成分對比結果見表5。

表5 氣化爐粗煤氣氣體成分對比

由表5可知：當負荷達10 000 m3(標態)時，粗煤氣中有效氣成分(CO+H2)體積分數可達到70%，比設計值60%高出多于10%；CH4體積分數為8.06%，實際值比設計值高出2.29%，實際運行粗煤氣中有效氣成分含量大幅度提高，碳的利用率提高。因此，在條件允許的前提下，從系統節能降耗的角度出發，氣化爐應盡量維持在高負荷運轉。

2.4 不同負荷加煤與排灰時間間隔

高負荷下，氣化爐的加煤與排灰時間必然會縮短。不同負荷下加煤與排灰時間間隔對比見表6。

表6 不同負荷下加煤與排灰時間間隔對比

由表6可知：當負荷達10 000 m3(標態)時，氣化爐的加煤時間間隔明顯縮短，說明該負荷下氣化爐內氣化劑與碳的反應加劇，速度增快，從而導致用煤量上升，但同時產氣量也相應增加。

氣化爐煤鎖體積為18.7 m3，每次加煤充泄壓需耗時6～7 min，5臺爐運行時，加一次煤共需耗時30～35 min。若單爐負荷均達10 000 m3/h(標態)，加煤時間雖然縮短至40 min，但基本能保證6臺爐的正常供煤。灰鎖排灰的設定時間為60 min，單爐排灰充泄壓需耗時15～16 min，5臺爐運行時，排一次灰共需耗時75～80 min。若單爐負荷均達到10 000 m3/h(標態)，排灰時需嚴格控制好時間，做好排隊，方可保證不會出現灰鎖同時充壓，并對中壓蒸汽系統造成沖擊等情況發生。

3 氣化爐負荷上限

單爐運行負荷不可能無限提高，首先要考慮管道的承受能力，其次要考慮爐況的穩定性和工藝指標的可控性。根據GB 16912—2016《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程》中，對于奧氏體不銹鋼管道，當工作壓力大于3.0 MPa、小于10 MPa時，管道流速要求撞擊場合P×v≤45 MPa·m/s，一般選取氧氣流速不超過9 m/s。

在本裝置中，氣化爐單爐的氧氣管徑為DN 100 mm，當單爐負荷達10 000 m3/h(標態)、氣化爐壓力4.0 MPa時，根據管道流量計算公式：

Q=vA

式中：Q——氧氣流量；

v——氧氣流速；

A——管道面積。

根據計算，當單爐負荷達到10 000 m3/h(標態)時，氧氣管道流速為9.45 m/s，P×v=37.8 MPa.m/s。其中，氧氣流速已經超出正常選取值，管道流速要求撞擊場合值已經十分接近臨界值；同時，高負荷時，爐況雖然穩定，但灰鎖溫度不易控制，波動較大，因此，在該裝置的管道配置下，設定單爐最大氧負荷為10 000 m3/h(標態)。

3 結語

在上述裝置的配置條件下，從安全和經濟兩個方面考慮，單臺氣化爐的最高負荷設定為10 000 m3/h(標態)，高負荷以9 000～9 500 m3/h(標態)為宜。在實際運行中，應嚴格按照表4中工藝指標控制操作，尤其是氣化爐出口溫度、灰鎖溫度、氣化爐與夾套壓差等3個指標。當氣化爐負荷超過9 000 m3/h(標態)后，由于物料反應加快，加煤、排灰頻率加快，爐箅轉速相應提高，需要操作人員精心操作，及時預判，避免因操作延誤而導致爐況惡化。

當氣化爐高負荷運行時，汽氧比處在較低水平，爐內氣化層反應迅速，反應溫度與灰熔點接近，如果操作稍有不慎，將會導致爐況迅速惡化，因此，必須保證入爐原料煤、氣化劑(蒸汽、氧氣)的相對穩定。同時，加強員工的操作培訓，提高員工在高負荷狀態下的應急處置能力，才可保證氣化爐在高負荷下的穩定運行。

參考文獻

[1] 付國忠，朱繼承.魯奇FBDB煤氣化技術及其最新進展[J].中外能源，2012，17(1)：5- 13.

[2] 賈春友，魏利梅.魯奇加壓氣化工藝優化設計[J].煤化工，2003，31(5)：30- 35.

[3] 蓋麗芳.碎煤加壓氣化技術的應用現狀及發展趨勢[J].化肥工業，2015，42(4):72- 74.