碎煤加壓氣化爐出口結焦問題的分析與處理

景 瑋，惠貴鵬

（伊犁新天煤化工有限責任公司，新疆 伊犁 835000）

伊犁新天煤化工有限責任公司（以下簡稱新天煤化工）設計年產20億m3煤制合成天然氣，以伊北地區的長焰煤為原料，采用固態排渣的碎煤加壓氣化爐制取原料氣。自2017年3月19日項目投料試車成功產出合格天然氣至今，產量逐年達到新高。經過近幾年對氣化爐進行設備改造和工藝調整等措施，制約氣化爐高負荷運行的諸多因素已基本消除，氣化裝置滿負荷運行為后續工段持續穩定提供原料氣。目前存在的主要問題是氣化爐粗煤氣出口喉管處結焦問題仍比較嚴重，造成氣化爐出口氣體通道變窄，氣化爐與夾套壓差增大，氣化爐爐內溫度計失真等諸多影響。通過調研，發現慶華煤制氣項目和大唐克旗煤制氣項目采用同樣的氣化工藝、同樣的氣化設備，并未出現此類問題。因此，對標慶華煤制氣項目和大唐克旗煤制氣項目，結合新天煤化工氣化裝置實際運行情況，對引起氣化爐喉管位置結焦的原因進行了分析，并進行了工藝調整和技術改造，取得了一定的效果，現介紹如下。

1 氣化爐粗煤氣出口喉管處結焦情況及影響

1.1 氣化爐粗煤氣出口喉管處結焦情況

碎煤加壓氣化是一種自熱式、移動床、逆流接觸、連續氣化、固態排渣的工藝過程。原料煤在氣化爐中經過一系列復雜的物理化學反應，最終生成合格的粗煤氣供后續工段使用。出氣化爐的主要物質包括經氣化爐反應生成的大量煤氣、水蒸氣、煤干餾產物等，其中還攜帶有未脫揮發分的小粒徑煤顆粒和灰顆粒。新天煤化工的碎煤加壓氣化爐在運行2～3個月后，氣化爐出口溫度開始逐漸偏離工藝指標控制范圍，低于正常操作設計溫度368℃，嚴重時甚至低于出口粗煤氣中未分解的蒸汽分壓對應的飽和溫度；同時出口溫度波動幅度降低，在220℃上下10℃的區間波動，出口溫度測量失真。停爐拆檢洗滌冷卻器盲法蘭后，發現喉管處結焦嚴重，入爐檢查發現氣化爐波斯曼套筒周圍及上部也結焦嚴重，且結焦部分硬度較大，不容易進行人工破碎清理。

1.2 氣化爐喉管處結焦產生的不利影響

氣化爐喉管處的結焦會使氣化爐出口過氣通道變窄，氣體流速增大，氣化爐小顆粒粉煤等帶出物增多，長期沖刷管道會造成洗滌冷卻器護筒本體減薄，破損嚴重時甚至造成洗滌冷卻器小夾套漏水；同時，結焦問題會引起氣化爐主要工藝參數如氣化爐出口溫度測量儀表失真。出口溫度失真的主要原因是氣化爐出口結焦，出口測量溫度的熱電偶外套筒上因附著結焦物而出現黏污現象，造成測量溫度比實際溫度偏低甚至失真。粗煤氣出口溫度失真將導致無法及時判斷爐況，一旦爐內出現火層偏斜、風洞，有可能產生過氧爆炸的安全風險，因此必須定期停車清焦，成為制約整個化工系統的瓶頸問題。

2 碎煤加壓氣化爐出口結焦問題的原因分析

氣化爐出口結焦位置清理出的結焦物質，其組成主要為未脫揮發分的小粒徑煤顆粒、煤經中低溫干餾后析出的焦油經二次裂解后生成的蘭炭和灰顆粒。整個物化過程為原料煤經過干餾層在150℃～350℃低溫熱解揮發分，依次析出H2O、CO2、CO、小分子烴類、焦油、H2等，形成了一次熱分解產物；在350℃～550℃時，原料煤發生二次熱分解，分解為含有揮發分的焦油蒸氣以及大量煤氣，焦油的穩定部分縮聚為焦炭，不穩定部分生成CO、H2、CH4等，還有一部分形成自由基，這部分自由基在低溫下可以形成大分子，冷凝后為輕質焦油；在高溫下，這部分自由基可形成氣體產物和積碳[1]。氣化爐中上升的煤氣會繼續干燥和預熱上層的原料煤，一般溫度約300℃，在此過程中，一部分粗煤氣中的焦油蒸氣隨著溫度降低其組分變重，流動性變小。氣化爐出口夾帶的小顆粒煤粉和灰顆粒等物質與粗煤氣中的焦油蒸氣發生了黏結，當出口溫度到達一定的干餾條件后，這部分未脫揮發分的小粒徑煤顆粒黏結在喉管處，經快速干餾形成蘭炭，長期累積后最終導致喉管處結焦堵塞。完成此過程所需的物化時間很短，據相關實驗數據，煤顆粒中心處的揮發分約在3 s內開始析出[2]，然后很快完成一二次熱解形成蘭炭。

為了進一步確定新天煤化工氣化爐喉管處結焦的成因，對與新天煤化工在同一地區的慶華煤制氣項目和不同地區的內蒙古大唐克旗煤制氣項目進行了對標。

三家企業的煤質情況和工藝參數情況對比分別見表1、表2。

表1 三家采用相同煤氣化技術單位的煤質比對

表2 三家采用相同煤氣化技術單位的氣化爐工藝參數比對

由表1可以看出，同一地區的新天煤制氣項目與慶華煤制氣項目煤質方面比較大的差別在揮發分的含量上，前者比后者高出7.36個百分點。揮發分高會直接影響副產品的產量，特別是焦油的產量，這也與實際了解到的慶華煤制氣項目所產焦油比較少的情況一致。同時在煤粒度上，慶華的入爐煤粒度比新天大，煤種粒度大小影響著煤的傳熱與揮發分擴散的路徑，煤的粒徑較大時，熱傳遞不均勻，揮發分擴散時路徑長、阻力大，也不利于揮發分析出。R.Z.YIN等[3]研究表明，隨煤粒徑增加，煤氣產量增加，焦油產量減少。由以上對比可以確定煤中揮發分含量和煤粒度是影響氣化爐喉管處結焦的兩個主要因素。

由表1還可以看出，新天和慶華項目原料煤中灰分含量差別很大，但灰分對碎煤加壓氣化爐出口的結焦幾乎沒有影響，這主要是由碎煤加壓氣化爐固定床氣化的特點決定的。固態排渣要求原料煤經反應后形成黏結性灰渣，而氣化爐出口帶出物的固態顆粒主要為煤粉，帶出的灰顆粒相當少，飛灰含量特別低，優于氣流床和流化床氣化工藝。并且灰層位置一般在氣化爐爐篦上層500 mm左右，離出口位置較遠，如無工況惡化出現溝流偏燒，不會有大量灰渣帶出。

不同地區的新天煤制氣項目與大唐克旗煤制氣項目煤質方面揮發分相差不大，全水分含量、低位發熱量和煤粒度差別較大。在揮發分相差不大的情況下，大唐克旗的煤粒度比較大，相對來說焦油產量會比新天略低，結焦情況理論上應該一樣嚴重，但實際情況是大唐克旗的結焦程度不大。經分析主要是由于大唐克旗的煤質中全水分比新天高14.8個百分點。原料煤的全水含量是影響碎煤加壓氣化爐煤氣出口溫度的重要因素，水分越高，原料煤在干燥和預熱層需要的熱量越高，出口溫度就會越低。大唐克旗的煤質發熱量也比較低，導致大唐克旗項目氣化爐出口溫度在200℃～280℃，此溫度低于原料煤發生低溫熱解的溫度最低值350℃，出口煤氣中所帶出的粉煤顆粒無法在此處進行快速熱解形成蘭炭，這也解釋了原料煤中水分高，出口溫度低是大唐克旗氣化爐喉管部分不結焦的原因。經了解，大唐克旗更換部分原料煤進行試燒，出口溫度達到350℃左右運行一段時間后也發現喉管處出現了結焦堵塞現象。

由表2可以看出，大唐克旗和慶華兩家單位的氣化爐操作壓力都要高于新天的，K.S.SESHADRI等[4]通過研究指出，隨著氣化爐操作壓力增大，焦油的轉化率增加，產出的焦油減少，并且高壓下的焦油裂解能生成較多的輕質小分子碳氫化合物，因此壓力相對較低也是新天煤化工氣化爐出口喉管處結焦的原因之一。

新天煤氣化爐設計壓力4.0 MPa，目前未達到設計值，主要原因是后續凈化工段控制壓力為3.4 MPa，甲烷化工段控制壓力為2.8 MPa，如果原料氣工段到產品氣工段壓差過大，對整個中間過程壓力調整增加難度，且變換催化劑壓差和甲烷化催化劑壓差控制對前面工段的要求也會增加，同時從設備及附屬件、管道在高壓下有更高的安全要求及經濟性等多方面綜合考慮，實行3.6 MPa壓力控制即可滿足工藝要求，暫未提壓。

由對喉管處結焦問題的成因分析可知，最主要的解決手段是降低氣化爐帶出的物料量和減少帶出物的焦油含量。通過對以上三家單位的對標，分析出導致新天煤氣化爐出口結焦的主要影響因素有煤質的揮發分含量、煤顆粒粒徑、氣化爐運行壓力及氣化爐出口溫度。一般煤化工企業的原料煤來源比較穩定，并且氣化爐在運行時對煤種的穩定性有一定的要求，所以煤質中揮發分高低的問題本文不作進一步討論，解決氣化爐出口結焦問題的關鍵需從其他三個方面入手。

3 工藝調整及技術改造探討

3.1 解決結焦問題的工藝調整

3.1.1 適當增大入爐煤顆粒粒徑

由于伊犁地區煤質機械強度和熱穩定性比較低，煤質水分也比較低，所以入爐煤在干燥預熱后容易破碎，造成粉煤量增大?？赏ㄟ^增大原料煤篩選篩子孔徑適當提高入爐煤顆粒粒度。目前新天煤化工在原設計基礎上增加了爐前篩分裝置，同時將高幅篩篩孔由6 mm提高到8 mm，入爐煤粒度明顯增大，粉煤量大量減少，出口帶出物大量減少。

3.1.2 氣化爐不再熱備或者減少熱備次數

氣化爐熱備是指通過提前對氣化爐進行蒸汽升溫和空氣點火，培養一定床層后，切斷空氣和蒸汽，不再對氣化爐進行后續的切氧提壓并網的開車方式。熱備要求氣化爐內原料煤溫度高于其著火點，長期處于開車備用狀態。在冬季或需快速響應生產負荷調整時，可以在短暫空運后直接切氧操作，快速完成開車，熱備爐可在10 h內完成開車操作。但是在氣化爐熱備過程中，由于長時間沒有開車需求，氣化爐內溫度會下降，如果爐內溫度低于其著火點，氣化爐需要再次蒸汽升溫和空氣運行一段時間，以達到熱備需要的原料煤溫度。雖然氣化爐熱備對節省開車時間有利，但是多次升溫和空氣運行操作會導致氣化爐干燥和預熱層的原料煤粉化，小顆粒煤粉增多，開車后調整到氣化爐最佳工況的時間也延長，最重要的是增加了出口的帶出物量，增大了氣化爐出口喉管結焦的程度。

3.1.3 提高氣化爐爐壓

新天煤制氣項目碎煤加壓氣化爐設計運行壓力4.0 MPa，目前運行壓力3.65 MPa，可以在確保設備安全的情況下適度逐步提高氣化爐的運行壓力，氣化爐壓力的提高不僅能減少原料煤焦油的產量，同時可以降低氣化爐出口煤氣流速，從而減小氣化爐帶出物，從兩個方面都能起到抑制氣化爐喉管處結焦的作用。從氣化效能分析，提高壓力可以進一步提高氣化爐的煤氣產率，增加有效氣中CH4的含量，這對于煤制氣項目來說，也是一項產品增效的有效工藝措施。

3.1.4 適當提高氣化爐灰鎖溫度

提高氣化爐灰鎖溫度就意味著要降低灰床的厚度，從而使整個火層下移，最終使氣化爐出口溫度降低。王玉忠[5]在加壓氣化工藝模擬研究中得出結論，氣化爐出口溫度升高會使煤氣流速增大，使氣化爐煤粉的夾帶量增大，兩者存在正相關關系。同時出口溫度降低后，會一定程度抑制帶出物在喉管處的熱解程度和熱解時間，從而減少此處蘭炭的生成和累積。目前新天煤制氣項目氣化爐灰鎖溫度已由320℃左右調整到350℃左右，出口溫度控制在高于280℃低于350℃，氣化爐出口結焦時間明顯延長。在調整灰鎖溫度控制范圍時，需要注意灰鎖溫度提高太高會造成火層下移，長期運行存在爐篦燒壞的風險。

3.1.5 減少氣化爐長時間低負荷或高負荷運行

碎煤加壓氣化爐最低負荷不得低于設計值的30%，最高負荷不得超過氣化爐設計負荷130%。氣化爐長期低負荷運行最大的問題是造成氣化劑分布不均，氣化爐工況變差，同時也增大了煤氣在氣化爐出口的停留時間，造成氣化爐出口溫度降低，焦油蒸氣黏度變大，流動性變小，容易形成掛焦情況。長時間高負荷運行會造成煤氣氣流速度增大，煤、塵的帶出物增多，同時氣化爐出口溫度也高，更容易使帶出物快速熱解形成蘭炭，造成喉管累積堵塞。對于新天煤制氣項目，建議負荷控制在6 000 m3/h左右。

3.2 解決結焦問題的技術改造

3.2.1 增大氣化爐上部的煤氣空間

新天煤制氣項目前期已通過對氣化爐上部的波斯曼套筒進行縮頸拉長（波斯曼套筒與氣化爐內壁間隙增大0.2 m，下部延長0.2 m）的方式，增大了氣化爐的上部煤氣空間，從而降低了出口煤氣流速，減少了出口帶出物量。目前此項技改較大程度地改善了原設計氣化爐使用伊犁地區煤質造成廢熱鍋爐集水槽頻繁堵塞和后續工段帶塵量大的瓶頸問題，改造后氣化爐喉管處結焦周期延長到6個月以上。由于新天煤制氣項目采用的氣化爐高度比原設計增高了0.5 m，通過前期氣化爐高負荷試驗，波斯曼套筒改造后對氣化爐床層的影響不大，未出現前期擔心的改造后會對氣化爐整個床層改變的安全問題。

3.2.2 氣化爐內部噴涂納米陶瓷材料

為解決結焦問題，新天煤制氣項目前期對單臺氣化爐波斯曼套筒外表面和相對應的內夾套位置以及洗滌冷卻器水平段進行了納米陶瓷材料噴涂，噴涂厚度為0.05 mm～0.08 mm。納米陶瓷材料具有抗高溫耐腐蝕能力，同時涂層燒結后的微觀納米結構和極低的表面能，使涂層與熔融物質的潤濕性極差，焦油蒸氣不容易附著在其表面上，即便附著，也隨著累積量增加，當其重力大于附著力時自動脫落，達到自潔效果。通過一段時間的使用，停爐內部檢查發現大量的涂層剝離，結焦情況嚴重，未達到相應的效果（此實驗影響因素較多，不做過多討論）。

3.2.3 在洗滌冷卻器水平段增加噴水環

通過增加噴水環將高噴水（140℃、5.2 MPa）直接噴射在喉管處，通過噴水口分別對洗冷器水平段和氣化爐喉管入口進行沖洗。此技改一方面能夠通過一定壓差的沖洗減少結焦物在喉管和水平位置的黏結累積，另一方面利用低溫的高噴水與煤氣在喉管處進行換熱，通過降低煤氣出口溫度，使帶出的粉煤無法達到快速熱解所需溫度的條件，從而抑制熱解反應的發生，解決結焦問題。目前從使用情況來看，洗冷器水平段堵塞情況明顯下降，但端頭噴水環位置結焦嚴重，后期需要對噴水環的噴水方式和長度進一步技改。必須注意的是，噴水環的使用過程中一定要保證高噴水的噴水量和壓力，如無法保證流量和壓力，除了會造成噴水環溫度過高燒熔泄漏外，還會加速喉管位置的結焦程度。

3.2.4 增加洗滌冷卻器水平段刮刀

碎煤加壓氣化爐初始設計時，會對所使用原料煤煤質特性進行評估，根據煤質的黏結性確定氣化爐設計時是否在攪拌裝置的布煤器和洗滌冷卻器出口增加小刮刀。新天煤制氣項目所用煤種屬于低黏度煤種，但是由于其煤質中揮發分高的特點，可考慮后期增加洗滌冷卻器水平段小刮刀，通過定期投用，將累積的結焦物推入氣化爐。

4 結 語

通過與其他兩家煤制氣企業對標，得出了影響氣化爐出口結焦問題的主要因素為原料煤揮發分含量、粒度，氣化爐粗煤氣出口溫度、氣化爐運行壓力。同時也對其他兩家采用相同氣化技術企業的氣化爐出口結焦問題不嚴重的原因進行了分析，得到一些可借鑒的工藝調整及技術改造措施，對新天煤化工氣化爐出口喉管處結焦問題的解決提出了部分針對性的建議。經過近幾年的技術改造，雖然取得了一些效果，但還有很多地方不夠成熟，下一階段需要進一步積累相關數據，做好持續性研究和試驗。希望就此問題的分析、探究、技改摸索對同行業存在同樣問題的企業能起到一定的參考作用。