殼牌hybrid氣化爐褐煤工況下的應用研究

楊 謙

(呼倫貝爾金新化工有限公司， 內蒙古呼倫貝爾 021000)

1 概述

呼倫貝爾金新化工有限公司原料及產品結構調整技術改造項目中，煤氣化裝置殼牌煤氣化技術采用干粉煤氣化下行激冷流程，氣化壓力為4.0 MPa。其主要工藝過程包括預干燥單元(U2000)、磨煤與干燥單元(U1100)、煤粉加壓輸送單元(U1200)、煤氣化與合成氣激冷單元(U1300)、除渣單元(U1400)、濕洗單元(U1600)、灰水處理(U1700)以及公用工程單元(U3X00)等。氣化溫度為1 400～1 600 ℃，碳轉化率高達99%以上,產品氣體潔凈，不含重烴，甲烷含量極低，煤氣中有效氣體(CO+H2)體積分數達到88%左右。日投煤量1 247 t/d,設計有效氣(CO+H2)產量為60 000 m3/h。

殼牌hybrid氣化爐工藝是在殼牌廢鍋流程基礎上改進的第三代煤氣化技術，氣化爐本體主要由氣化反應室和外殼體(設計壓力5.1 MPa、設計溫度400 ℃)組成，反應室與外殼體之間為環隙空間，其中反應室由膜式水冷壁采用管-翅-管結構組裝(包括頂錐、直管段、底錐)而成。氣化爐燃料煤粉采用高壓N2/CO2輸送方式，經過計量后分別送入4支煤燒嘴(A1301A/B/C/D)的中心管。氧氣經氧氣預熱器加熱至180 ℃后送入煤燒嘴。在氣化爐(V1301)反應室內，經4支煤燒嘴噴入的煤粉與氧氣發生反應，氣化壓力為4.0 MPa，反應溫度為1 400～1 600 ℃。反應后的高溫合成氣在氣化爐下降管和激冷室內用水激冷至210～220 ℃，并使夾帶的飛灰固化后，進入濕洗工序。氣化爐激冷室底部的灰水送至灰水處理工序。激冷后的熔渣經破渣機(X1401)破碎，當粒徑達到50 mm以下后進入渣收集罐(V1401)。氣化爐膜式壁采用中壓鍋爐水循環冷卻,并設置汽包副產中壓蒸汽。殼牌hybrid氣化爐工藝布置簡圖見圖1。

2 褐煤特性

褐煤主要特性參數見表1。

3 氣化爐關鍵參數控制

3.1 氣化爐爐溫控制

氣化爐爐溫為氣化爐主要控制參數之一，由于氣化爐內反應溫度達1 400～1 600 ℃，無法直接測量，所以需要用其他參數來表征判斷。當爐溫過高時，易產生針形渣，在渣池極易結團，導致渣池積渣并引起排渣不暢；同時，由于渣形過細，易導致水系統帶渣而無法運行，局部溫度過高可能引起水冷壁燒損。當爐溫過低時，易導致燃燒不完全，極端情況下會因渣口堵塞導致停車。由于褐煤水分較高，氣化爐無需添加蒸汽，所以，控制氧煤比是調整爐溫的唯一手段。

3.1.1 通過合成氣組分表征爐溫

粉煤、氧氣、粉煤所含水蒸氣在氣化爐內發生氧化反應、轉化反應、加氫反應，生成 CO、 CO2、H2和微量 CH4。主要反應化學式如下：

圖1 殼牌hybrid氣化爐工藝布置簡圖

表1 褐煤主要特性參數

(1)

(2)

(3)

(4)

由以上反應可以看出，如果氧氣加入量過大,即氧煤比過高，煤的燃燒即氧化反應加劇，使爐內溫度上升，CO、CH4與氧氣發生燃燒反應(副反應)生成CO2，造成CO2含量升高，而CH4含量降低；反之，爐溫降低時，CO2含量下降，CH4含量上升。所以合成氣中CO2、CH4含量可以有效表征氣化爐爐溫。根據前期運行數據，CH4質量濃度控制300～500 mg/L，CO2體積分數控制9%～12%為宜。CO2含量隨著煤質變化有所波動，但體積分數不能低于8.5%。

3.1.2 通過水汽密度及熱負荷表征爐溫

由于水的密度隨著溫度升高而降低,所以水冷壁出口鍋爐水的密度可以間接反映氣化爐溫度。通常將頂錐、水冷壁、燒嘴罩、底錐的鍋爐水密度換算為熱負荷，用以表征氣化爐溫度。在入爐煤質即熔渣黏度不變的情況下，熱負荷越高，則氣化爐反應溫度越高；熱負荷越低，則氣化爐反應溫度越低。實際運行過程中，氣化爐熱負荷受汽包壓力、鍋爐水上水溫度及循環水流量的影響，特別是煤質變化時，熔渣黏度發生變化，熱負荷對于爐溫的表征會有所偏離。

3.1.3 通過渣形及渣中殘碳含量表征爐溫

殼牌hybrid氣化爐運行的核心是掛渣，掛渣的好壞直接決定氣化爐的運行正常與否，所以渣樣是氣化爐運行工況的直觀體現。同等情況下爐溫越高，渣黏度越低，水激冷后渣粒度越小，甚至產生頭發絲狀的針形渣；粒度越大，爐溫越高，燃燒越充分，渣中殘碳含量越低。典型爐溫下的渣形見圖2、圖3、圖4、圖5。圖5為爐溫適宜的渣形，粒度均勻，微量針形渣。

圖2 渣形較細、針形渣明顯

圖3 渣形較粗、無針形渣

圖4 渣形均勻、無針形渣

由于水激冷后大部分殘碳會被細渣帶走，所以細渣中殘碳反應較為明顯。爐溫適宜時，殘碳中粗渣質量分數<1%，細渣質量分數為3%～5%。細渣中殘碳含量過低會導致針形渣增多。

圖5 渣形均勻、少量針形渣

3.1.4 通過合成氣出口溫度表征爐溫

合成氣出口溫度也能夠間接表征氣化爐爐溫。在煤質穩定負荷不變、激冷水流量、粗細噴嘴流量及渣池液位無大幅度波動的情況下，合成氣出口溫度能夠間接反映氣化爐爐溫情況，可綜合合成氣組分中CO2、CH4含量及熱負荷等因素，判斷氣化爐爐溫情況。

由于無法直接測量氣化爐爐溫，爐溫的控制需要用相關參數進行表征判斷。但以上參數相互影響，不能單純參考某一參數，需要綜合分析判斷，特別是在煤質波動時，需要根據實際情況來綜合判斷爐溫。

3.2 熱負荷控制

熱負荷是氣化爐內掛渣情況的直觀反應，間接反應爐溫。根據運行經驗，水冷壁熱負荷反應較為靈敏，且可以有效反應氣化爐整體掛渣狀態，所以殼牌hybrid氣化爐運行主要參考水冷壁熱負荷，計算公式如下：

J={F×[hsatw+x×(hsata-

hsatw)-C3]}/1 000

(1)

式中：F為水冷壁上水質量流量，kg/s；hsatw為飽和水焓值，kJ/kg；hsata為飽和蒸汽焓值，kJ/kg；hin為水冷壁水焓值，kJ/kg；x為比例系數，%。

hsats=fchart1(P+ΔP+0.006+0.1)

(2)

hsatw=fchart(2 or 3)(P+ΔP+0.006+0.1)

(3)

式中：P為中壓汽包壓力，MPa。

ΔP=ρm×g×(Δh+h1)/1 000 000

(4)

式中：ρm為水汽密度，kg/m3；g為9.81 m/s2；h1為汽包底部與水汽混合物入口高度差，m；Δh為水汽密度計安裝位置與氣化爐相對高度，m。

fchart1為在2.0～8.0 MPa范圍內飽和蒸汽的焓值與壓力的函數關系，kJ/(kg·MPa)；fchart2為在0.5～2.0 MPa范圍內飽和水的焓值與壓力的函數關系，kJ/(kg·MPa)；fchart3為在2.0～8.0 MPa范圍內飽和蒸汽的焓值與壓力的函數關系，kJ/(kg·MPa)。

以上計算過程可見，熱負荷影響因素較多，汽包壓力、液位、鍋爐水補水流量、鍋爐水上水溫度及中壓鍋爐循環水泵出口流量均會引起熱負荷波動,在運行期間，需確保以上參數穩定。除此之外，影響熱負荷的主要因素為爐溫及熔渣黏度。在相同爐溫下，熔渣黏度越低，熱負荷越高；反之熔渣黏度越高，熱負荷越低。需要說明的是，當氣化爐內流場結構發生變化時，由于局部燃燒劇烈或不充分，均會導致掛渣不均勻，從而引起熱負荷失真。

在煤質波動時，熱負荷是氣化爐工況調整的關鍵參數之一。當氣化爐流場不發生變化時，熱負荷異常上漲或下降，說明煤質出現波動。而煤質波動時，需調整助熔劑添加量。圖6為煤質波動(灰分上漲)的典型工況。

圖6 灰分上漲工況典型工藝參數(以小時均值取點)

由圖6可見：逐步提高助熔劑添加量，熱負荷可逐步上漲。其間，控制重點為爐溫高控(即甲烷按下限控制)，避免熱負荷過低導致跨渣。需逐步上調助熔劑添加量，上調幅度過大，同樣會因熔渣黏度變化劇烈導致跨渣。根據運行經驗，褐煤工況熔渣黏度控制在15～20 Pa·s為宜,此黏度下的熱負荷控制在2.6～3.0 MW。實際運行中，CH4含量也可以作為煤質變化的關鍵參數。當煤灰分出現較大幅度波動時，在氧煤比不變的情況下，入爐原料氧碳比發生變化，反應為爐溫變化，即灰分上漲，入爐原料氧碳比升高，CH4含量降低。

3.3 流場控制

殼牌hybrid氣化爐煤燒嘴中心線相對于氣化爐中心線偏轉4°，且位于煤燒嘴氣化爐的同一高度水平面上。殼牌hybrid氣化爐采用氣流床氣化工藝，從煤燒嘴噴出的煤粉、氧氣以射流的形式出現，射流對周圍流體具有強烈的卷吸作用。流體自煤燒嘴射出后，在緊靠煤燒嘴的過渡區域內，高速射流會造成剪切層。由于剪切層自然不穩定性迅速增長，形成旋渦，導致射流對周圍流體的卷吸[1]。氣化爐反應室內的流體因錯位剪切而形成強旋流場，氣化爐燒嘴的平面流場、立體流場分別見圖7、圖8。

圖7 氣化爐燒嘴平面流場

圖8 氣化爐燒嘴立體流場

3.3.1 氣化爐速度與溫度分布

(1) 氣化爐速度分布

圖9為熱態條件下殼牌hybrid氣化爐內速度分布，其中圖(a)和圖(b)分別為氣化爐內噴嘴橫向截面和軸向截面速度分布[2]。

從圖9(a)可知：氣化爐噴嘴外環隙空間出口處氣體速度最大，氣化爐噴嘴橫向截面中心形成切圓，說明氣化爐內存在強烈的旋流流場，有利于湍流流動，提高碳轉化率。從圖9(b)可知：氣化爐頂部氣流速較小，造成頂錐掛渣較為困難。越接近氣化爐出口處速度越大，其主要原因是粉煤顆粒在運動過程中不斷被氣化，從而增加了氣相總質量，導致流速增加。

(a) 氣化爐內噴嘴橫向截面

(b) 氣化爐內噴嘴軸向截面

(2) 氣化爐溫度分布

圖10為熱態條件下殼牌hybrid氣化爐內溫度分布，其中圖(a)和圖(b)分別為氣化爐噴嘴橫向截面和軸向截面溫度分布[3]。

(a) 氣化爐內噴嘴橫向截面

(b) 氣化爐內噴嘴軸向截面

從圖10(a)可知：噴嘴出口處的溫度較低，有利于防止噴嘴回火，保護噴嘴頭部及燒嘴罩免受高溫氣體的熱輻射作用，延長噴嘴的使用壽命；氣化爐內火焰的溫度很高，噴嘴截面中心處溫度相對較低。從圖10(b)可知：除噴嘴燃燒區域外，氣化爐內的平均溫度分布比較均勻，氣化爐拱頂區域溫度較低，而氣化爐出渣口處溫度合理，利于液態排渣。

3.3.2 殼牌氣化爐內流場影響因素

氣化爐內流場的穩定對提高氣化效率和保護氣化爐設備的安全非常重要。穩定的流場可以實現氣化爐的穩定長周期運行，而在實際運行過程中影響流場穩定的因素較多。

(1) 煤線波動及參數不準

殼牌氣化實際運行中煤線異常波動較為頻繁[4]，大致可歸納為以下幾種原因：煤粉給料倉壓力波動較大，充氣錐故障；粒度分布不均勻，煤粉粒度不合格；煤閥內有異物或故障；煤粉給料倉錐部有異物；煤粉溫度或伴熱溫度低，煤粉流動性差；煤粉管線內有雜物；4條煤線流量或煤速不均衡；速度計故障或密度計故障。一旦煤線參數不準，就會導致流場結構發生改變，射流沖擊爐壁后損壞水冷壁、燒嘴罩、燒嘴頭部。

煤粉給料倉(V1205)料位偏差是煤線參數偏離的主要判斷依據之一。當V1205料位偏差>20 t/d時，需進行排查調整。

頂錐密度是煤線參數偏離的又一關鍵指標。由圖9、圖10氣化爐速度及溫度分布可知：當氣化爐頂部速度及溫度較低時，氣化爐頂錐最不易掛渣。頂錐掛渣情況對于氣化爐工況的反應最為明顯。當某一條煤線參數異常時，破壞氣化爐流場，會影響頂錐掛渣，導致頂錐密度降低。由于頂錐不易掛渣，當氣化爐因渣黏度發生變化時,頂錐掛渣也會出現波動。某次開車后，頂錐密度異常，熱負荷較高，當時V1205A/B料位偏差較大，經判斷為3#線煤量偏小。經調整后，V1205A/B料位偏差逐漸減小，頂錐密度及熱負荷逐步恢復(圖11)。

圖11 煤線參數不準確的典型數據

當氣化爐煤線參數偏離較大時，特別是某一條煤量偏多，氣化爐流場會被嚴重破壞，導致氣化爐局部燃燒不充分，粗細渣中殘碳含量異常高。此種情況下，頂錐密度、熱負荷及合成氣組分均會發生偏離，嚴重時引起渣口堵渣。此時，應立即采取措施。

排查煤線參數偏離時，需結合各條煤線密度顯示、煤閥開度、合成氣組分、熱負荷等參數綜合判斷。修訂煤線參數時，可采取修訂煤線斜率(即單條線氧煤比)及B值的方式。當煤量偏差較小時，宜采用修訂煤線斜率的方式，此方式在氣化爐負荷變化時可自動調整；當煤量偏差較大時，不得不采用修訂B值的方式。修訂B值后，在氣化爐負荷變化時需重新修訂。此外，在氣化爐其他參數無明顯異常的情況下，不宜大幅修訂煤量，一般情況下氣化爐開車后一周內修訂至最優值即可。

(2) 煤燒嘴跳停

煤燒嘴實際流量波動不允許超過0.2 kg/s，一旦流量波動異常，就會造成煤燒嘴跳車或氣化爐工況惡化直至跳車。不同工況下，氣化爐爐膛內的流場特征不同。4支燒嘴等負荷工況條件下，4股流體因錯位剪切而在爐膛中心形成一個對稱的強漩渦流場，流體與水冷壁面不存在直接的撞擊作用；當小于3支燒嘴運行時，會對水冷壁產生一定的沖刷作用，引起氣化爐各關鍵參數發生變化。煤燒嘴跳車直至恢復時，氣化爐參數變化情況見圖12。

圖12 煤燒嘴跳停參數(以分鐘均值取點)

(3) 氣化爐壓力波動

殼牌hybrid氣化爐實際運行中，系統壓力波動的現象時有發生，造成煤燒嘴的射流動量也發生波動，導致氣化爐內流場的波動。氣化爐壓力波動越頻繁，波動范圍越大，造成氣化爐內流場的波動也越大。因此，在生產過程中應盡量穩定系統壓力，避免頻繁波動，穩定氣化爐內的流場。

(4) 氣化爐內燒嘴罩和燒嘴頭泄漏

氣化爐煤燒嘴及燒嘴罩布置圖見圖13。

圖13 燒嘴罩及煤燒嘴安裝布置圖

在燒嘴罩上方設置渣導流槽，用于保護燒嘴頭及燒嘴罩。氣化爐在實際運行過程中，由于燒嘴跳停、掛渣太厚，導致翻渣異常，氣化爐內燒嘴罩、燒嘴頭泄漏的現象時有發生。燒嘴罩泄漏或燒嘴頭部泄漏后，水汽進入氣化爐內，影響煤燒嘴的射流，使氣化爐內的流場發生改變。根據前期運行經驗，采取以下措施可以有效防止燒嘴罩破損：適當提高熱負荷，控制在2.6～2.8 MW，以控制渣層厚度，降低燒嘴罩翻渣風險；控制煤速為8.2 m/s ，確保流場穩定，防止回火燒損燒嘴罩；根據熱負荷及氣體組分，及時調整石灰石添加量。

當出現燒嘴罩泄漏后，需要優化參數，提高爐溫以延長氣化爐運行周期。圖14為燒嘴罩泄漏工況的典型參數。

(5) 氣化爐煤燒嘴角度變化

殼牌氣化爐煤燒嘴與徑向的夾角為 4°，燒嘴角度控制的核心在于檢修和安裝。在氣化爐檢修安裝燒嘴時，必須嚴格控制安裝質量，一旦燒嘴角度發生偏離，只能停車進行處理。角度減小會導致爐膛內氣體流場的旋流改變，煤粉與氧氣不能充分反應，有大量的煤粉隨熔渣向下流動，極易造成堵渣。角度增大后，由于內部流場發生變化，流場增大，高溫區更接近水冷壁，爐壁渣層變薄，爐膛會出現耐火泥脫落及耐火銷釘被燒壞的情況，縮短設備使用壽命。

4 氣化爐的維護重點

(1) 煤質穩定是氣化爐長周期穩定運行的關鍵。應避免入爐煤質大幅波動。如煤質發生大幅波動，必須及時判斷并有效調整。

圖14 氣化爐燒嘴罩泄漏典型工況參數

(2) 檢修時，需清理干凈各料倉。對各緊固件螺栓進行點焊，確保運行中不會脫落。

(3) 每次檢修后，調校煤線密度計、速度計，并做煤線循環，校核煤線參數。

(4) 開車后，盡量縮短氮氣工況運行時間和低負荷運行時間。

(5) 投運煤燒嘴時，控制煤速≤9.5 m/s。防止煤速過高而破壞流場，損壞氣化爐水冷壁。

(6) 控制氣化爐壓力穩定，減少煤線波動。

(7) 控制適宜爐溫及熱負荷，CH4質量濃度控制300～500 mg/m3。通過調整助熔劑添加量來適當提高空熱負荷(2.6～3.0 MW)，提高煤質波動時氣化爐的操作彈性。

(8) 開車前校準水冷壁、頂錐、燒嘴罩、底錐流量，并與歷次開車時的參數值進行對比，避免流量異常。

(9) 煤線堵塞等異常情況發生時，停用煤燒嘴。控制停用時間，防止流場破壞后無法恢復。

5 結語

殼牌hybrid氣化爐運行中，各關鍵參數互為因果，必須不斷分析和優化，確保氣化爐在最優工況下運行。從原理、控制措施、異常工況參數等角度，分析和探討殼牌hybrid氣化爐的關鍵參數控制，并提出了維護重點，對同類型裝置運行具有指導和借鑒意義。