62 000 m3/h常壓循環流化床氣化爐優化調整試驗

鞏時尚，陳 祿，陳家泉，鄭 勇，張智立，沈寶富

(1.中國能源建設集團西北電力試驗研究院有限公司，西安 710054； 2.濟民可信清潔能源有限公司，江西宜春 330811； 3.中國五環工程有限公司，武漢 430223)

目前，國內化工、建材、陶瓷、輕工業、鋼鐵等行業的工業窯爐主要以煤和天然氣為燃料。以煤為主的工業窯爐污染大、效率低；以天然氣為主的工業窯爐，由于近年來天然氣價格上漲且時常斷供，其運行成本逐漸增加[1]。隨著國家對企業經濟性和環保性的要求越來越高，為工業窯爐尋找一種低污染、供應充足的燃料極其重要。煤制氣產生的工業煤氣價格低、區域內供應穩定，因此目前可將其作為工業窯爐的主要燃料[2]。

氣化爐型主要有流化床、氣流床和固定床。固定床氣化能力低，并且產物中含有酚類、焦油等成分，環保成本高。氣流床氣化溫度高、耗氧量大、整體投資高[3]。流化床氣化爐結構簡單、處理能力強、煤種適應性廣，在大型化工業中的應用較多[4]。但是，流化床氣化爐產生的煤氣熱值低(一般在5 400 kJ/m3)，國內外學者針對此問題也進行了相關研究。劉嘉鵬等[5]在循環流化床氣化試驗臺上研究了溫度對熱解產物的影響，發現隨著溫度的增加，煤氣有效組分含量增加；吳學成等[6]利用循環流化床氣化模型研究了氣化性能，發現氧氣/蒸汽氣化方案比空氣/蒸汽氣化方案生成的煤氣熱值和碳轉化率更高；MASTELLONE M L等[7]在流化床氣化爐進行了富氧氣化研究，氧氣體積分數由21%增至36%，煤氣熱值提高了3 800 kJ/m3，冷煤氣效率增加了12%；KERN S等[8]在雙循環流化床氣化爐中研究了給料位置對煤氣組分的影響，較高的給料位置有助于提高煤氣有效組分含量。

針對煤氣熱值低的問題，結合某62 000 m3/h循環流化床氣化爐工程實例，研究原煤粒度分布、空氣煤比(氣化風質量流量與給煤質量流量的比)、蒸汽煤比(入爐蒸汽質量流量與給煤質量流量的比)、爐膛中下部溫度、氧氣流量等對煤氣熱值、煤氣有效組分含量和爐渣含碳量的影響，為氣化爐氣化調整指明方向，減少氣化調整工作的盲目性和工作量。

1 氣化爐爐型概況

該62 000 m3/h氣化裝置主要由循環流化床煤氣化爐、空氣預熱器、蒸汽過熱器、余熱氣化爐及輔助系統組成，具體見圖1。

1—氣化爐；2—旋風分離器；3—返料器；4—空氣預熱器；5—蒸汽過熱器6—余熱鍋爐；7—旋風除塵器；8—布袋除塵器；9—組合冷卻器；10—流化風機；11—氣化風機；12—中壓氣化爐給水泵；13—油泵；14—柴油罐；15—點火燃燒器；16—滾筒冷渣機；17—進風管；18—螺旋給煤機；19—氧氣預熱器；20—省煤器。圖1 62 000 m3/h氣化裝置的系統流程

循環流化床氣化爐由爐膛、旋風分離器和返料器組成，輔助系統包括氣化風系統、流化風系統、給煤系統、灰渣冷卻系統、循環水系統、除塵系統和氧氣預熱系統等。給煤系統將煤加入氣化爐；供風系統將氣化劑加入氣化爐；灰渣冷卻系統將排出爐膛的底渣和除塵器捕集的飛灰進行收集和冷卻；循環水系統為氣化系統提供冷卻水；除塵系統對煤氣進行除塵和凈化；氧氣預熱系統利用中壓蒸汽對氧氣進行預熱。

2 運行現狀及分析

2.1 運行現狀

為了更好地研究循環流化床氣化爐，對該氣化爐在不同負荷的運行情況進行摸底試驗，結果見表1，其中：設計工況為設計時的100%額定負荷。由表1可得：在運行過程中，煤氣熱值為5 585～5 611 kJ/m3，低于設計值；爐渣含碳質量分數為40%～50%，遠高于設計值。

表1 氣化爐實際運行不同負荷主要參數

2.2 運行分析

該氣化爐使用的煤破碎機滾齒尺寸長時間未調整，實際用煤粒徑大于10 mm的顆粒質量占顆粒總質量的14.13%，遠高于設計值(5%)，并且實際用煤水分含量也高于設計值。除原煤品質外，前期滿負荷運行時爐膛溫度偏低，入爐蒸汽質量流量為6 328 kg/h，氧氣質量流量為715 kg/h，均低于設計值；氣化風體積流量為34 196 m3/h，高于設計值。運行過程中未對各參數進行合理的優化調整，加劇了氣化爐煤氣熱值低、爐渣含碳量高的問題。

3 調整優化與分析

3.1 原煤粒徑的影響

對于循環流化床氣化爐，氣化用煤粒徑分布對爐渣含碳量、煤氣組分含量、煤氣熱值和碳轉化率有著重要影響。該氣化爐調整前后的原煤粒徑分布見圖2。調整前用煤中大顆粒較多，粒徑大于10 mm的顆粒質量占顆粒總質量的14.13%；而調整后煤中粒徑大于10 mm顆粒的質量占顆粒總質量的比降低為8.3%。

圖2 氣化爐原煤粒徑分布

表2為原煤粒徑調整前后氣化爐主要參數。由表2可得：調整后氣化爐爐渣含碳質量分數由43.98%降至27.52%，煤氣熱值由5 611 kJ/m3提高至5 849 kJ/m3。這是因為原煤粒徑降低后，煤顆粒表面積增加，加快了氣化反應速率，使得更多的C與O2反應生成CO和CO2，CO2含量的提高又促進了CO2與C反應生成CO，從而降低了爐渣含碳量、提高了煤氣熱值[9]。

表2 原煤粒徑調整前后氣化爐主要參數

3.2 爐膛溫度的影響

圖3為煤氣組分含量、熱值和爐渣含碳量隨爐膛中下部溫度的變化趨勢。

由圖3可得：氣化爐爐膛中下部溫度由920 ℃提高至960 ℃，CO、H2、CH4的體積分數分別增加了3.39百分點、1.28百分點、0.26百分點，煤氣熱值提高了615 kJ/m3，爐渣含碳質量分數降低了18.38百分點。提高爐膛溫度，不僅有利于煤中揮發分快速析出，更有利于C與O2、CO2、H2O反應生成CO2、CO和H2(C與H2O主要在930 ℃以上發生反應)。在相同溫度下，C與CO2的反應活化能最小，有利于C將CO2轉化成CO，從而提高了煤氣組分中的CO和H2含量，提高了煤氣熱值和碳轉化率。另外，煤氣中的CH4不僅由C和H2反應生成，還由煤中烴類、芳香側鏈和脂肪鏈的裂解產生，其中C和H2反應速率隨溫度變化較小[10]，所以CH4體積分數變化較小。

圖3 爐膛中下部溫度的影響

3.3 空氣煤比的影響

圖4為煤氣組分含量、熱值和爐渣含碳量隨空氣煤比的變化趨勢。

圖4 空氣煤比的影響

由圖4可得：隨著空氣煤比的增加，爐渣含碳量降低，CO體積分數呈現先增加后降低的趨勢，CH4和H2的體積分數變化趨勢與CO的體積分數變化趨勢一致，但CH4和H2變化趨勢不明顯，CO2體積分數變化趨勢則與CO相反，煤氣熱值和有效組分(CH4、H2和CO)體積分數呈現先升高后降低的趨勢。隨著空氣煤比的增加，氣化爐中氧氣流量增加，促進了燃燒反應的進行，提高了爐膛平均溫度，使得C與CO2、H2O的反應速率增加；同時，氧氣流量增加促進了烴類、芳香側鏈和脂肪鏈的裂解，增加了煤氣中CO、CH4和H2的體積分數，降低了CO2的體積分數，從而提高了煤氣熱值。但當空氣煤比過高時，隨著空氣煤比的增加，燃燒反應速率遠大于氣化反應速率，生成的CO和相對過量的O2反應，使得CO2體積分數逐漸增加，同時N2體積分數也增加較快，造成CO、CH4和H2的體積分數呈現下降趨勢。同時，空氣流量過高時，爐內煤氣流量增大，煤氣流速提高，煤粉顆粒在爐內的停留時間減少，將不利于氣化反應的進行。

3.4 蒸汽煤比的影響

圖5為煤氣組分含量、煤氣熱值和爐渣含碳量隨蒸汽煤比的變化趨勢。

圖5 蒸汽煤比的影響

由圖5可得：蒸汽煤比由0.22增加至0.50，CO體積分數下降了2.34百分點，H2體積分數增加了2.59百分點，CO2體積分數增加了1.21百分點，CH4體積分數基本保持穩定，煤氣熱值下降了331 kJ/m3，爐渣含碳質量分數增加了5.41百分點。提高蒸汽煤比，使得蒸汽流量增加，提高了C與H2O的反應速率，進而增加了煤氣組分中H2體積分數；同時，蒸汽流量增加，使得稀相區CO和H2O繼續反應，進而提高了CO2和H2的體積分數[11]。此外，隨著蒸汽流量的增加，爐膛中下部溫度降低，不利于氣化反應正向進行，爐渣含碳量略有上升。在煤氣有效組分基本不變的基礎上，熱值降低是因為CO體積分數下降，H2體積分數增加，而單位體積CO熱值高于單位體積H2熱值[12]。

3.5 氧氣流量的影響

其他工況不變，氧氣母管壓力穩定，通過入爐氧氣調節閥控制氧氣流量，進而調節爐膛中下部溫度。現選取5組工況進行試驗，氧氣質量流量由0 kg/h增加至879 kg/h，爐膛中下部溫度由900 ℃緩慢增加至950 ℃。表3為不同氧氣流量下氣化爐的主要參數。

表3 不同氧氣流量下氣化爐的主要參數

由表3可得：隨著氧氣質量流量由0 kg/h增加至879 kg/h，爐膛中下部溫度緩慢提高，煤氣熱值從5 414 kJ/m3提高至6 192 kJ/m3，N2體積分數下降了6.07百分點，煤氣中有效組分含量增加(H2、CO的體積分數分別增加了2.60百分點和4.17百分點)，爐渣含碳量明顯下降。隨著氧氣流量的增加，爐膛中下部溫度提高，并且氣化過程為強吸熱反應，溫度升高有利于氣化反應正向進行，降低爐渣含碳量[13]。此外，由于C和H2O在930 ℃以上的反應速率較快，隨著氧氣流量的增加，爐膛中下部溫度增加，有利于提高CO和H2的體積分數，提高煤氣熱值。

4 綜合優化調整分析

綜合優化調整后，氣化爐的主要參數見表4。由表4可得：同時優化調整各參數，在75%和100%額定負荷下，煤氣熱值提高至6 504～6 603 kJ/m3，爐渣含碳質量分數降低至13.45%～16.27%，調整后煤氣熱值和爐渣含碳量均能達到設計值。

表4 綜合優化調整后氣化爐的主要參數

5 結語

(1)煤氣熱值和爐渣含碳量達不到設計值主要是因為原煤粒徑過大和未對氣化爐氣化參數進行優化調整。

(2)降低循環流化床氣化爐原煤粒徑大于10 mm顆粒的質量占比后，爐渣含碳質量分數下降了16.46百分點，煤氣熱值提高了996 kJ/m3。

(3)對爐膛溫度、空氣煤比、蒸汽煤比、氧氣流量合理地進行優化調整，可以提高煤氣熱值、降低爐渣含碳量。

(4)在75%和100%額定負荷下，對各參數同時進行優化調整后，煤氣熱值提高至6 504～6 603 kJ/m3，爐渣含碳質量分數降低至13.45%～16.27%，均能達到設計值，調整效果良好。