影響殼牌氣化爐經濟效益的因素分析

高進(鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

煤炭在相當長時期內仍將在中國能源生產和消費中占有重要作用，因此發展潔凈煤技術在我國具有重要的戰略意義和現實意義。煤氣化技術作為煤炭清潔利用的關鍵技術之一，殼牌干粉氣化技術作為第二代煤氣化技術在煤質要求、碳轉化率、氧耗、環保排放等方面具有顯著的優勢，其安全、環保的設計理念已經在工業生產中得到驗證。本文將結合實際運行情況對日處理量為2t殼牌氣化爐的經濟性影響因素及提高氣化爐經濟性的方法及解決措施進行探討。

1 影響殼牌氣化經濟性因素

1.1 煤質影響

殼牌煤氣化工藝中進料包括干煤粉、氧氣、水蒸氣，其中氧氣及水蒸氣對氣化爐運行影響較小。煤粉由于受到煤源、磨煤工藝、運輸、儲存等因素影響，品質波動較大，其中煤灰分、灰熔點、粒度、水分等對氣化爐運行有直接影響。

1.2 氣化爐運行穩定性

在我國殼牌氣化技術經過十年的發展，運行狀況已經發生了質的變化，但仍然存在制約問題，主要體現在煤線波動、燒嘴罩及燒嘴頭的泄漏、“十字吊架”積灰等。因此如何優化操作條件、提高單位時間處理效率是保障氣化爐運行穩定的重要手段。

1.3 運行維護成本

殼牌氣化工藝具有一次投資大、無備爐的特點，因此造成停工維修成本較高，停工風險大，對經濟效益影響巨大。見表1。

表1 殼牌氣化合成氣成本計算

1.4 其他因素

公用工程物料消耗主要涉及到電、氮氣、氧氣、蒸汽、儀表風等，其中氮氣作為煤粉保護氣及煤粉輸送載體，消耗較大。主要公用工程動力成本中，氮氣占37.64%；氧氣占36.45%，除氧水占11.10%；電占7.32%，循環水占7.24%，燃料氣占4.24%。

由以上數據可以計算出生產合成氣(有效氣CO+H2)成本大約0.47元/Nm3，其中原煤、公用工程動力成本占比絕大部分。公用工程動力成本主要集中在氧氣及氮氣的消耗。

殼牌氣化爐日常化工三劑消耗年總費用約29萬元，每天藥劑成本不足900元。

2 提高氣化爐經濟性的方法及具體措施

2.1 提高氣化爐經濟性的方法

2.1.1 穩定原煤質量的要求

水分對于煤粉的輸送、儲存具有較大影響，原煤水分一般控制在14%以內。煤中水分偏高，極易導致粉煤在儲運過程中在儲倉內壁形成架橋；同時會顯著增加磨煤單元能耗；高水分的粉煤輸送不均勻，還會導致煤線發生波動，從而影響煤燒嘴及燒嘴罩的使用壽命。一般情況下經過磨煤干燥后粉煤水分可以控制在3%左右。

合理的粉煤粒度可以保障煤粉的均相、穩定輸送，有助于煤耗的控制，減少爐渣中未反應的生煤粉量。煤粉的粉化使得顆粒的比表面積大大增加，從而有利于揮發分的析出與煤顆粒的非均相著火，煤中含無機硫的礦物質的解離度更大，可有效地改善其著火與燃燒過程。

灰分是煤中的惰性物質，不參與氣化反應，其含量和組成影響煤在氣化過程中產生的灰渣量和形態，并且反應過程會帶走部分反應熱降低煤的熱效率。煤中灰分含量越高，對原煤運輸成本，煤耗、氧耗都是負面的，同時會增加氣化爐和灰渣處理系統運行負荷，影響氣化爐的正常高效運行。灰分會影響煤的發熱量，且灰分為主要驅動因素[1]，一般情況要求原煤灰分含量≤12%。

灰熔點主要取決于煤中的礦物質成分、氧化物組成和相互比例及燃燒氣氛等。在殼牌氣化技術在設計中為保證灰渣能以熔融狀排出。為實現液態排渣的目的，所以反應爐溫控制要比灰熔點高100～150℃左右，以達到液態渣的最佳流動溫度，該條件下爐壁上形成厚度均勻的渣層。渣層過厚容易形成大塊渣，造成排渣系統的堵塞，嚴重時造成停車；渣層過薄則容易損壞爐壁內耐火層造成水冷壁的損壞。

灰分中氧化物的某些成分所占比例對灰熔點的影響并不是單向的，隨著其酸堿比比例的增加或減少，對灰熔點的影響是雙向的。西北化工研究通過對154個煤樣的灰成分進行分析，研究煤灰中酸堿比對灰熔融性的影響，通過煤灰的化學成分及酸堿比可以預測煤灰熔融特性溫度。當酸堿比接近1.7時FT較低[2]。根據上述理論，可以從灰成分預測灰熔點從而指導煤質控制及氣化爐操作。實際生產中對原煤選擇、配煤比例有著重要意義，經驗得出經過配比的入爐煤粉灰熔點一般控制在1300～1350℃左右。

2.1.2 優化配煤方案

實現最佳的配煤需要3個條件：需要有足夠理想的儲存空間；有大量科學嚴謹的分析數據支撐；有強大的配煤設備做保障。首先根據原煤的儲存空間規劃不同煤種的安全存放；通過科學合理的采樣方法及大量準確的分析數據，建立健全煤質檔案數據庫；再通過強大的機械設備實現不同煤種按比例均勻配置。

2.2 提高氣化爐穩定運行的具體措施

2.2.1 影響因素分析

目前影響氣化爐穩定運行的因素主要是氣化爐燒嘴頭燒嘴罩泄漏、煤線波動頻繁、關鍵設備及儀表可靠性差、合成氣冷卻器積灰等問題。

(1)造成燒嘴頭泄漏的原因有燒嘴安裝位置不佳、局部高溫破壞、燒嘴冷卻水系統故障、煤線波動等。由于煤燒嘴的結構特殊，粉煤通過中間圓形通道噴出，氧氣走外圍環形通道，在氣化爐內受高溫火焰長時間燒蝕，形成裂紋，導致泄漏。燒嘴罩泄漏主要是在氣化爐水冷壁渣層覆蓋不均勻的情況下，火焰的水平噴射與液態渣的垂直流動在燒嘴罩周圍形成局部高溫湍流區，長時間高溫輻射的影響。

(2)造成煤線波動的因素較多，主要受煤粉物性，煤線儀控系統、煤粉輸送載氣的穩定性等影響。

(3)十字吊架積灰主要與煤質、爐溫控制、激冷氣量等相關。當合成氣冷卻器入口溫度低于(2/3FT-150)度時，積灰的風險較低。但一般當氣化爐運行時間超過120d時，合成氣冷卻器十字開始積灰，其直接影響氣化爐負荷及長周期運行，目前這一問題沒有從根本上解決。

2.2.2 應對措施

(1)由于煤粉與氧氣在入爐前未經過混和，因此火焰中心會形成“黑區”，最主要的是在火焰根部的“黑區”溫度較低，可以起到保護噴嘴頭部免受高溫煙氣輻射作用，延長噴嘴的使用壽命[3]。因此確保燒嘴頭及燒嘴罩穩定運行最主要的是要保證氣化爐低溫運行及煤線的均勻穩定。

(2)煤線穩定的措施包括：引入煤質在線分析設備，提高自動化水平，根據煤質波動情況及時調整煤線控制；采取前饋控制，穩定煤粉倉壓力，減少煤粉輸送系統壓力波動對煤線的影響；煤粉輸送系統增加除雜器，避免雜物堵塞角閥等。

(3)通過改造激冷氣壓縮機可以達到增加激冷氣量的目的，同時優化激冷氣壓縮機出入口管線配置，降低管線阻力，從而緩解十字吊架積灰的速率和程度。但激冷氣的增加量要考慮氣化爐內壁的磨蝕，以及增加飛灰過濾器的負荷等綜合因素，以確定最佳的激冷氣量。

2.3 提高單位時間內運行效率措施

原設計煤粉輸送到煤粉入爐大約需要45min。如提高煤粉輸送效率，增加單位時間內的入爐煤量，可以提高爐實際運行負荷及效率。通過調整原程控中時間控制改為重量控制、優化氮氣沖壓效率等一系列手段將煤粉入爐時間由45min減少到40min。理論上可以提高11%的煤負荷，按滿負荷測算，每天可以多加工222t原煤，噸煤產有效合成氣按1453Nm3(實際產量及原煤消耗的平均值)計算，每天可多產合成氣32萬m3。

2.4 嚴格控制維保及其他成本

氣化爐檢修費用與氣化爐運行周期有直接關系，經統計年平均維修成本在6千萬元左右，主要通過加強日常維護管理、精細化操作等手段減低檢修費用。

氣化廢水采用絮凝沉降+氣浮+活性污泥的處理工藝，處理成本5元/t，小時量85t，年處理費用約320萬元，每減少一噸每年即可節省2.72萬元費用。可以采用積極的水處理措施，以達到降低運行成本的目的。

3 建議

為提高氣化爐運行效率，實現高負荷長周期穩定運行，針對目前尚未有效解決的十字吊架積灰問題。建議可以聯合專業的科研院所，通過大數據分析，建立系統的數字模型，模擬爐內合成氣及飛灰的速度場和溫度場，進行氣固煤粒流場分布的專項研究，發現積灰問題的本質原因和形成過程，從而有針對性的增改吹灰設施，消除或減緩積灰現象的發生，進一步提高氣化爐運行的經濟性。

4 結語

提高殼牌氣化爐運行的經濟效益，核心是控制并提高原料即入爐煤的質量，在原煤質量控制、配煤系統優化方面做好源頭控制，提高碳的利用率，提高氣化爐穩定運行周期。同時降低原料成本及動力成本，并從設備日常維護、精細化操作等全方位管理。消除氣化爐燒嘴頭燒嘴罩泄漏、煤線波動頻繁、合成氣冷卻器積灰等瓶頸問題，提高單位時間內的效益，減少廢水排放等節能減排工作，最終實現氣化爐經濟效益最大化。