淺析飛灰粒度與氣化爐長周期運行的關系

郭志鵬

(山西潞安煤基清潔能源有限責任公司，山西 長治 046200)

1 概述

氣流床氣化技術是當今世界煤氣化的主流技術之一，其煤種的廣泛適應性，高的碳轉化率和能量利用率，以及廢水處理的清潔環保性是其應用的突出特點。氣化爐運行時長是企業實現降本增效的前提和基礎，近年來，隨著應用和研究的不斷深入，氣化爐運行時間得到大大延長，普遍在200 d以上。但堵渣、積灰等問題仍是氣化爐長周期運行的最大瓶頸[1-3]。本文從飛灰粒度角度結合運行工況探討其對氣化爐廢熱鍋爐積灰的影響關系。

2 飛灰產生的機理及對氣化爐的影響

在殼牌粉煤加壓氣化工藝中，入爐煤的灰分普遍在15%～25%，這些灰分在粉煤氣化后將以無機物的形式排出。即，將排出的無機物中60%以渣的形式排出，40%以飛灰的形式排出。渣和飛灰的基本組成相同，均為SiO2和Al2O3的共融體化合物，由于經過的排出氣化爐外的物理過程不同，導致二者的外觀形態有較大的區別。

粒徑為5 μm～90 μm的粉煤在純氧和高溫高壓的環境中，在極短的時間內揮發分析出并同時氣化，緊接著在極短的時間內碳與氧氣發生氣化反應，代表煤中的有機質已經全部轉化到氣氛中。在高溫環境下(一般大于1 600 ℃)，粉煤中的無機質已經全部熔融為極小的液滴。按照SCGP氣化工藝特殊的工藝原理，由于粉煤的噴入方向與氣化爐在該點處的徑向有4°～6°的夾角，導致氣態的合成氣與液態的渣滴在氣化爐內以旋轉的方式飛向氣化爐壁。在此過程中粒徑較大的液滴相互碰撞、再生，最后摔打在氣化爐爐壁上，以液態排渣的形式排到氣化爐外。

粒徑較小的液滴伴隨合成氣的流動方向經過激冷段、輸氣導管段、氣化返混室到達廢熱鍋爐入口。此時由于受水冷壁的冷卻左右，合成氣的溫度逐步降低，由1 600 ℃降到600 ℃～680 ℃。伴隨著溫度的降低，小液滴再次凝固成固體小顆粒，形成飛灰的原始初態。飛灰伴隨合成氣經過廢熱鍋爐的過程中，依次經過廢熱鍋爐的四組盤管式換熱器及水冷壁，最終溫度降到300 ℃～340 ℃離開廢鍋，進入到干法除灰單元。在此過程中合成氣的飛灰會不斷地沾污積淀到換熱器盤管上，同時也有已經積淀到盤管上的飛灰被合成氣中高速運動的飛灰顆粒磨損剝離。如果積淀速度大于剝離速度，換熱盤管表面的沾污灰層將越來越厚，換熱效率越來越低，最終將導致全系統癱瘓，裝置整體停車。如果剝離速度大于積淀速度，換熱盤管表面沒有任何飛灰層保護，同時高速的飛灰顆粒將不斷磨損換熱盤管，長期運行將導致換熱盤管減薄泄漏。

在工業運行過程中，絕大多數情況室沾污速度大于剝離速度，導致換熱器失效。本文通過研究發現，飛灰的粒度大小是決定沾污速率和剝離速率的決定性因素。

3 飛灰粒度形態的影響研究

在殼牌煤氣化工藝中，合格的粉煤粒度為5 μm～90 μm(>90%),以正態分布來統計粉煤的粒度，D50分布寬度為30%～70%。粉煤經過高溫高壓的揮發分析出及有機質燃燒后的氣化反應，未聚合的無機質將以較小粒度的飛灰排出。根據筆者所運行的4臺Shell氣化爐的大數據統計，典型的飛灰粒度為<1 μm的寬度為15%～22%，<5 μm的寬度為70%～80%，<15 μm的寬度為85%～92%。大量的研究表明，飛灰的粒度在10 μm時，磨蝕和沾污的速率將會達到平衡，見圖1。

圖1 粒徑范圍

通過大量的實驗研究發現，當飛灰的粒度<15 μm的寬度大于92%時，氣化爐廢熱鍋爐將發生嚴重的積灰，廢熱鍋爐入口和出口的溫差將小于280 ℃，當飛灰的粒度<15 μm的寬度在85%～92%時，廢鍋表現為整體穩定平衡狀態，廢熱鍋爐入口和出口的溫差將維持在300°～320°左右，當飛灰的粒度<15 μm的寬度小于80%時，廢熱鍋爐入口和出口的溫差大于320°，廢熱鍋爐表現為清潔沖刷作用，水冷壁將有磨蝕的風險。

幾種典型的飛灰的粒度分布圖見圖2～圖4。

4 氣化爐長周期運行飛灰PSD控制綱要

4.1 調整入爐煤指標

為防止飛灰大量生成堵塞換熱器通道，需改變入爐煤的灰成分組成來改變飛灰的沾污特性。馬飛[4]、李繼炳[5]、李振珠等[6]認為，原料煤中堿金屬和堿土金屬在氣化過程中易揮發最后富積到飛灰中，需要強調的是堿金屬和堿土金屬富積后絕大部分體現在飛灰的小顆粒中。所以通過改變原煤的灰成分可以改變飛灰的粒度，進而影響到飛灰的在廢鍋處的沾污。

圖2 A氣化爐A工況，表現為具有沾污作用的飛灰PSD分布

圖3 A氣化爐B工況表現為具有沾污作用的飛灰PSD分布

圖4 A氣化爐B工況表現為具有清潔沖刷作業的飛灰PSD分布

4.2 調整氣化劑的參與量

在Shell煤氣化工藝中，參與氣化反應的氣化劑有氧氣、水蒸氣及二氧化碳，參與反應的氣化劑濃度越高，粉煤氣化越徹底，飛灰的粒度越細。氣化反應的主要氣化劑是氧氣，但調整參與反應的氧氣的比率將直接影響到氣化爐的爐溫，為保證工況的穩定運行，一般不通過調整氧氣比率來調整飛灰的粒度，即便調整也沒有較為明顯的效果。若原料煤是較年老的煤種，原煤中揮發分較低，固定碳較高，在穩定爐溫的情況下氧氣不足以全部氣化固定碳，即需要加入水蒸氣作為氣化劑。在這種工況中，通過調整添加水蒸氣的比率，可以很好調整飛灰的粒度，達到很好的效果。在煤制油等工藝中，下游裝置對合成氣中的氮含量比較敏感，所以粉煤載氣一般使用二氧化碳，二氧化碳也是一種很好的氣化劑。但二氧化碳的加入量不能適時控制，因此在實際生產過程中只有廢熱鍋爐嚴重積灰的情況下，才可以通過切換氮氣工況的方式來實現短時間的廢熱鍋爐清潔。

4.3 調整石灰石的添加量

石灰石經過高溫反應后形成CaO進入飛灰中，本身特性即增加了飛灰的黏附性，同時也會增大煤中其他堿金屬元素的揮發，進而影響到飛灰的粒度。石灰石與原煤一起研磨會在SGC段生成更多的細微顆粒。

4.4 氣化爐的操作壓力

氣化爐的操作壓力越高，形成的飛灰大顆粒聚合物越少，飛灰的粒度越細，在較高氣化壓力的基礎上，氣化壓力每提高0.1 MPa,小于15 μm的飛灰細顆粒寬度將上調3%。

5 結語

通過系統性分析不同飛灰粒度對殼牌氣化爐廢熱鍋爐積灰的影響，明確提出最優工況對應的飛灰粒度的寬度，找出影響飛灰粒度的多種原因，給出了對應的氣化爐調整方案。