石油焦對低壓多噴嘴 對置式水煤漿氣化爐運行的影響

楊 路

(寧波中金石化有限公司 浙江鎮海 315203)

0 前言

進入21世紀以來，我國煉油企業的原油加工能力迅速增加，相應的石油焦產量也快速增加，10年間(2001—2011年)全國石油焦產量增加了2.6倍，僅2011年全國石油焦產量就達到了17 564 kt[1]。石油焦的處理已經成為當下亟待解決的問題，金陵石化、齊魯石化、安慶石化相繼在氣化裝置中摻燒石油焦，以實現石油焦的清潔利用。寧波中金石化有限公司的氣化裝置是首套采用低壓(1.5 MPa,表壓)多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的裝置，針對該裝置在摻燒石油焦期間出現的問題剖析如下。

1 摻燒石油焦對爐壁掛渣的影響

無論是采用耐火磚還是水冷壁，其目的均是為了降低氣化爐爐壁外部溫度。由于氣化爐內溫度較高，耐火磚或水冷壁直接接觸高溫會導致氣化爐筒體的損壞，因此在氣化爐內部的耐火襯里或水冷壁上須有足夠厚度的渣層，以此來保護耐火襯里或水冷壁，延長其使用壽命。

由表1可以看出，摻燒石油焦期間氣化爐的爐壁溫度明顯高于單獨使用煙煤的工況，其主要原因是爐內渣膜厚度存在差異。煙煤的灰分質量分數在5.0%，而石油焦的灰分質量分數一般低于0.5%，因此摻燒石油焦后形成的渣量明顯少于煙煤，導致摻燒石油焦的比例越多，燃燒后形成的渣膜越薄，對降低氣化爐的爐壁溫度產生不利影響。

表1 2種工況爐壁溫度對照

位置爐壁溫度/℃全煤摻燒石油焦拱頂194213九樓239253八樓227243A215221B217233C203215D203230

由圖1可看出：渣層表面溫度和厚度分別為1 500 ℃和8 mm時，SiC耐火材料最高溫度可達1 271 ℃，最低溫度為1 158 ℃，平均溫度為1 233 ℃；隨著渣層厚度的增加，SiC耐火材料溫度快速下降，渣層厚度達到20 mm時，最高和最低溫度分別降為1 038 ℃和948 ℃，平均溫度也降至1 007 ℃，說明渣層厚度對爐壁溫度的影響較大[2]。

圖1 SiC耐火材料的溫度分布

在摻燒石油焦期間，煤漿中細粒子數量與同類型氣化裝置存在較大差異(表2)。細粒子多更容易形成飛灰，不容易被壁面捕捉，而粗粒子更容易被壁面捕捉，因此摻燒石油焦時不容易形成足夠厚度的渣膜，在碳轉化率處于較低工況時，壁面捕捉飛灰的效果更差。通過對圓球狀渣樣進行分析，其含碳質量分數約為2%，而圓球狀渣是處于熔融狀態的灰分在到達渣口處成滴狀留下形成的，因此石油焦摻燒比例高，灰分含量就低，導致渣膜對耐火磚的保護減弱。

表2 煤漿粒度分布質量分數 %

2 石油焦摻燒比例對氣化爐操作溫度的影響

由于石油焦的反應活性差，在高比例摻燒石油焦期間，需要添加助溶劑以提高石油焦的反應效果。石油焦的著火溫度也比煙煤低，處于煙煤和無煙煤之間，因此在燒嘴形成的黑區與單獨使用煙煤有一定的差別。石油焦的摻燒比例不能無限制提高，特別是石油焦中的釩(V)元素加劇對耐火磚的侵蝕。因此，國內大多采用煙煤與石油焦按一定比例混合以提高氣化反應效率，降低氣化爐的操作溫度。本裝置在摻燒石油焦的運行初期，僅因操作溫度過高導致裝置停車每月就達3次之多。

氣化反應是在管流區進行的，此處是有效氣的重要來源，同時氣化反應是一個吸熱反應，因此氣化爐下半部分溫度相對較低。運行期間應關注氣化爐渣口處高溫熱電偶的指示值，不僅可避免操作溫度過低而出現渣口堵塞問題，而且可以間接反映出溫度對氣化效率的影響，即溫度越高，碳轉化率也越高?？刂圃跍囟染蛻P注氣化爐上部溫度，但燃燒區的溫度控制得過高，如氣化爐上部溫度控制在1 450 ℃以上，會對燒嘴產生較大的破壞，造成燒嘴以及耐火磚的燒蝕，工藝燒嘴的使用壽命一般在30 d左右，耐火磚的使用壽命大大縮短。雖然提高氣化爐操作溫度有利于提高石油焦的反應活性，但是操作溫度不宜控制得過高，因為石油焦的反應活性在1 300 ℃時達到最大化，再持續提高溫度會堵塞微孔，造成氣化效率下降，反而不利于氣化反應的進行。

孫鐘華[3]以石油焦漿為原料，模擬得到了氣化爐x-y平面的溫度分布與組分濃度分布。石油焦揮發分少，入口氧氣主要被回流的高溫一氧化碳和氫氣所消耗，形成射流火焰，在撞擊區內CO2和H2O含量最高，溫度達到2 200 ℃。進入折返流區，石油焦迅速為氣化反應所消耗，沿著氣化爐軸向中心線向上到氣化爐拱頂處，CO物質的量分數從22%提高至43%，H2物質的量分數從12%增加至24%，而H2O物質的量分數從50%下降至20%，CO2物質的量分數從23%下降至11%。由于石油焦氣化活性較差，拱頂氣相處溫度為1 428 ℃，而以煙煤為原料時拱頂氣相處的溫度只有1 280 ℃。因此，在實際運行過程中應密切注意高溫氣體對拱頂耐火磚的侵蝕狀況，確保氣化爐長周期穩定運行。

3 摻燒石油焦對氣化裝置經濟指標的影響

在摻燒石油焦期間，氣化細灰沒有返回氣化爐進行二次反應，氣化裝置生產1 000 m3(標態)有效氣(CO+H2)的氧耗由380 m3(標態)上升至400 m3(標態)；碳轉化率由完全以煙煤為原料時的97%降至95%以下，且隨著石油焦摻燒比例的不同，碳轉化率穩定在90%～95%。由于石油焦的反應活性差，摻燒石油焦后的碳轉化率都低于全量使用煙煤的工況，但本裝置的碳轉化率更低，主要原因在于氣化爐操作壓力低、氣化爐直徑大(Ф 3 800 mm)。

在設計之初，增大氣化爐直徑的目的是增大燃燒室空間，以延長物料的停留時間，促進氣化反應的進行。但通過實際運行發現，效果并不理想。首先，由于氣化爐直徑大，燃燒室的表面積相應增大，要維持較高的溫度就需要加入更多的氧，以此來控制二次反應區的溫度。其次，氣化爐操作壓力較低，單位面積的耐火磚上所進行的燃燒反應減少，燃燒熱相應減少，同時二次反應區的面積也相應增大，需要消耗更多的熱量來維持一次反應區和二次反應區的反應溫度，由于反應熱的過度消耗，使二次反應區的溫度下降，最終導致碳元素不能最大限度地進行氣化反應。最后，由于有過多的焦炭顆粒未參與反應，氣相流速過快，也會帶走一部分反應熱，最終導致氣化爐燃燒區無法達到較高的溫度，即使通過增加氧氣提溫的效果也不明顯，這也是本裝置比氧耗較高的重要原因之一。

要獲得較高的碳轉化率，主要措施是提高氣化爐的操作溫度，而且圓球狀渣樣越多表明氣化爐的操作溫度越高。對圓球狀渣樣進行取樣分析，其含碳質量分數基本在3%～7%，與高壓氣化爐相比高出3～5倍。其原因首先是氣化爐爐壁上的熔渣反應后流動至氣化爐錐底處流速變慢，由于錐底處向下氣化爐的直徑逐漸變小，氣流攜帶未反應的碳在此處聚集而發生自由沉降，被熔融狀的灰渣捕捉，然后被包裹，最后離開氣化爐。其次，摻燒石油焦期間，氣化爐下部操作溫度比全部使用煙煤時低，壁面捕捉效果下降，當二次反應區內未反應的碳聚集至一定程度后，反而會將顆粒排斥出，以避免捕捉效果大幅下降。再者，由于后系統原因，氣化裝置長時間處于1.0 MPa(表壓)低壓下運行，顆粒之間的碰撞減弱，容易形成氣流斷路，不利于碳轉化率的提高。

4 結語

(1)由于石油焦灰分含量少、反應活性差，在摻燒石油焦的工況下，應注意拱頂溫度的變化，避免因拱頂溫度過高而影響裝置的正常運行。

(2)摻燒石油期間，應控制石油焦的摻燒比例穩定、焦漿粒度合適，避免出現操作溫度大幅波動的情況。

(3)要解決摻燒石油焦出現的比氧耗升高、碳轉化率降低的問題，應關注當前煤質下的石油焦摻燒比例，避免出現因摻燒比例不合適而影響裝置的經濟運行。