煤質(zhì)對魯奇氣化爐經(jīng)濟運行的影響分析

尚小廣，任富強，劉志輝，宋軍麗，梁學(xué)博

(河南煤業(yè)化工集團煤氣化公司，河南鄭州 450001)

義馬氣化廠是生產(chǎn)城市煤氣聯(lián)產(chǎn)甲醇、二甲醚等化工產(chǎn)品的企業(yè)，采用魯奇(Lurgi)加壓氣化的造氣工藝。該自20世紀70年代引進以來［1］，國內(nèi)對該技術(shù)的掌握和應(yīng)用已有了長足的發(fā)展。其中，Lurgi氣化爐對煤種和煤質(zhì)有一定的要求，這是氣化爐能夠長周期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵性因素。近年來，隨著煤炭價格的不斷攀升，以及冬季用煤緊張等因素，該廠原料煤已達十余種，煤質(zhì)的不穩(wěn)定給裝置生產(chǎn)能力及長周期穩(wěn)定運行帶來了很大的困難。本文通過對煤質(zhì)中不同因素對Lurgi氣化爐經(jīng)濟運行的分析，提出了一些針對性建議及措施，以供參考。

1 煤質(zhì)對魯奇氣化爐的經(jīng)濟運行分析

1.1 灰熔點的影響

魯奇氣化爐的操作溫度介于煤的T1(煤灰變形溫度)和T2(煤灰軟化溫度)之間，入爐煤灰熔點高，則操作時就要適當降低汽氧比，相應(yīng)提高爐溫，蒸汽分解率增加，煤氣水產(chǎn)量低，氣化反應(yīng)完全，有利于制氣。但是受氣化爐原設(shè)計制約，蒸汽也不能無限制降低，否則可能會燒損爐篦及內(nèi)件，因此受設(shè)備材質(zhì)影響，灰熔點不能太高，一般控制在1 150℃≤T2≤1 250℃。反之，煤的灰熔點低，則操作時就要適當提高汽氧比，相應(yīng)降低爐溫(防止低灰熔點的煤料在爐內(nèi)結(jié)渣，造成排灰困難)，蒸汽分解率降低，煤氣水產(chǎn)量增加，氣化反應(yīng)速度減緩，不利于制氣，運行非常不經(jīng)濟。因此入爐煤灰熔點要盡可能控制在一定范圍內(nèi)，不能變化太大。

在實際生產(chǎn)過程中，入爐煤存在多樣性，入爐煤的灰熔點也就各不相同;因此，有一個最佳汽氧比的選擇，即控制氣化爐內(nèi)的反應(yīng)溫度，既不能因汽氧比高造成灰細導(dǎo)致排灰困難，也不能因汽氧比低造成結(jié)渣而無法排灰。若入爐煤灰熔點相差較大，就無法選擇最佳汽氧比，從而造成灰熔點低的煤易結(jié)渣，容易出現(xiàn)氣化爐工況惡化，另外還有可能達到T3溫度(煤灰熔融性流動溫度)，熔融部分將灰熔點高的煤包裹，阻礙了其與氣化劑接觸，不利于完全反應(yīng)，導(dǎo)致碳流失，表現(xiàn)為爐渣中的黑核現(xiàn)象。相反，按照低灰熔點煤選擇汽氧比，則高灰熔點的煤表現(xiàn)為灰細，不利于排灰和制氣，同時增加煤氣水產(chǎn)量，加大了污水處理費用。

1.2 揮發(fā)分的影響

揮發(fā)分一般理解為烴類，是煤中有機質(zhì)加熱到一定溫度揮發(fā)出的氣態(tài)及蒸汽產(chǎn)物，它是反映煤的變質(zhì)程度的重要標志，隨著變質(zhì)程度的提高，煤的揮發(fā)分逐漸降低。各種煤的揮發(fā)分產(chǎn)率如表1所示。

表1 不同煤種的揮發(fā)分

氣化爐用煤中揮發(fā)分含量的多少與煤氣用途有一定的關(guān)系。當煤氣完全用作燃氣時，要求甲烷含量高、熱值大，則可選用揮發(fā)分較高的煤做原料，所得煤氣中甲烷含量較大。當煤氣用作工業(yè)生產(chǎn)的合成氣時，一般要求使用低揮發(fā)分、低硫的無煙煤、半焦或焦炭。另外，變質(zhì)程度輕的煤種，生產(chǎn)的煤氣焦油產(chǎn)率高，焦油容易堵塞管道和閥門，給焦油分離帶來一定困難，同時也增加了含酚廢水的處理量。更重要的是，對合成氣來講，甲烷可能成為一種不利的氣體。例如，合成氨中要求氫氣含量高，而這時甲烷卻變成了一種雜質(zhì)，含量不能太大，故要求揮發(fā)分小于10%。

總體來講，煤的揮發(fā)分對魯奇氣化爐運行工況影響不是很大。煤中揮發(fā)分變高，能造成副產(chǎn)品焦油和中油的產(chǎn)率增大，粗煤氣產(chǎn)率下降，粗煤氣耗塊煤的單耗隨之增加。表2為義馬氣化廠2010年6、8月份氣化爐采用不同煤種，其揮發(fā)分與焦油產(chǎn)量、粗煤氣標煤單耗的比較，可以看到，8月份煤的揮發(fā)分高于6月份煤的揮發(fā)分，其對應(yīng)的8月份焦油產(chǎn)率高，粗煤氣折標煤的單耗也增加。可見，煤中揮發(fā)分低，煤氣產(chǎn)率增加，氣化爐運行更為經(jīng)濟。

表2 不同揮發(fā)分的煤的焦油產(chǎn)量及粗煤氣單耗

1.3 灰分及矸石的影響

煤中矸石含量及灰分增加時，一是礦物質(zhì)燃燒灰化時要吸收熱量，大量排渣要帶走熱量，因而降低了煤的發(fā)熱量;二是為防止氣化爐結(jié)渣，要適當提高汽氧比，降低了氣化爐的操作溫度，影響了氣化強度，蒸汽分解率降低，煤氣水的產(chǎn)量提高，粗煤氣產(chǎn)量減少。

同時，隨著煤中矸石含量及灰分增加，煤灰中FeO、CaO、MgO、K2O 作為助熔劑［2］，對結(jié)渣起到促進作用，加劇了設(shè)備磨損，一是爐篦刮刀、護板等部件，二是煤灰鎖上下閥運轉(zhuǎn)周期縮短，設(shè)備檢修頻次增加，開停車頻繁?；曳诌^高時，影響氣態(tài)反應(yīng)物，反應(yīng)產(chǎn)物擴散速度和熱量的傳遞速度，使氣化反應(yīng)總反應(yīng)處于擴散狀態(tài)，阻礙了固體表面和內(nèi)部氣化反應(yīng)的有效進行，碳核也會進入灰區(qū)，導(dǎo)致灰鎖溫度升高，嚴重時導(dǎo)致各反應(yīng)層紊亂，造成氣化爐工況惡化。

1.4 水分的影響

加壓氣化爐對爐溫的要求比常壓氣化爐低，而爐身一般比常壓氣化爐高，能提供較高的干燥層，允許進爐煤的水分含量高。適量的水分對加壓氣化是有好處的，水分高的煤，往往揮發(fā)分較高，在干餾階段，煤半焦形成時的氣孔率大，當其進入氣化層時，反應(yīng)氣體通過內(nèi)擴散進入固體內(nèi)部時容易進行。因而，氣化的速度加快，生成的煤氣質(zhì)量也好。

煤種的內(nèi)在水分屬固有特性，但外在水分對氣化爐經(jīng)濟運行影響較大。水分過高時，影響主要有以下幾個方面:①水分過大，會導(dǎo)致篩分效果不好，堵塞篩板，且塊煤表面黏附末煤入爐后影響氣化爐工況，還容易造成煤鎖膨料、掛壁，加煤不暢;②煤中水分過大，蒸發(fā)汽化所需熱量增加，造成氧耗一定程度增加［3］;③原料煤雨雪季節(jié)防護不利，水分過高時，還可使煤氣水產(chǎn)量增加，增加污水處理費用。

1.5 煤的粒度的影響

魯奇氣化工藝屬于碎煤氣化，對粒度要求較高(5～50 mm碎煤)，粒度大小和范圍不同，會造成氣化爐同一床層截面的煤的比表面積不同，而在同一床層截面上，氣化劑的分布是均勻的，比表面積大的需要的氧氣多，若粒度大小和范圍不同，就會造成氣化爐同一床層的反應(yīng)速度不同，而向下排灰拉動床層下移卻是均勻的，這樣就可能會導(dǎo)致氣化爐內(nèi)床層紊亂，比表面積大的煤(小粒度)，因反應(yīng)不完全和灰渣一起排出，碳在灰鎖中繼續(xù)反應(yīng)使灰鎖溫度也升高，同時灰中殘?zhí)苛可?，因碳流失從而使產(chǎn)氣率下降，塊煤單耗升高。

實際生產(chǎn)經(jīng)驗告訴我們，魯奇氣化中若用煤中大于50 mm粒度的煤偏多，易造成氣化反應(yīng)不完全;而小于13 mm的煤偏多，容易產(chǎn)生小粒度填充大粒度間隙的現(xiàn)象，同時還會出現(xiàn)大粒度遍布氣化爐床層四周，而小粒度集中于中央，引起床層不均，局部阻力增大，氣化劑通過床層時會出現(xiàn)阻力小的部位通過的氣化劑量多，阻力大的部位通過的氣化劑量小，不但影響氣化爐的產(chǎn)量和氣體質(zhì)量，而且易出現(xiàn)氣化爐局部過熱結(jié)渣、結(jié)大塊，造成氣化爐工況惡化。通過多年來對粒度大小和粒度范圍的分析，我們得出魯奇氣化煤粒度控制范圍如下:5～13 mm，＜10%;13～25 mm，30%左右;25～50 mm，30%左右;＞50 mm，30%左右;同時需避免出現(xiàn)大于100 mm的煤。表3為(該廠規(guī)范煤粒度后)2010年1～9月份送入氣化爐煤粒度分析結(jié)果，相對于往年有更好的氣化爐運行狀況和粗煤氣耗塊煤單耗，這也證明了我們總結(jié)的經(jīng)驗值的正確性。

表3 2010年(1～9月)入爐塊煤粒度分析結(jié)果

1.6 固定碳含量的影響

影響煤的發(fā)熱量的主要因素是固定碳，固定碳含量提高，則灰分、揮發(fā)分等相應(yīng)含量下降，有效成分增加，有利于制氣。但隨著固定碳含量的升高，煤在魯奇爐內(nèi)就需要更多的氧氣參與反應(yīng)，若氣化反應(yīng)氧氣量一定且與煤的發(fā)熱量不匹配時，由于固定碳含量升高，參與反應(yīng)的氧氣不足，會造成爐內(nèi)反應(yīng)速度減慢，煤在爐內(nèi)停留時間增長，導(dǎo)致各層拉長，干餾層縮短，干燥層縮短或消失。氣化爐的工況表現(xiàn)為:粗煤氣出口溫度高，在450～490℃;灰鎖溫度高，在330～380℃;在此溫度下，煤中的揮發(fā)分在干餾層生成焦油的成分多(煤焦油生產(chǎn)約在320℃開始，在430℃達到最大值)，焦油產(chǎn)量增加，剩余半焦減少，進入氣化層后，生成 CO、CO2、H2、CH4的有效成分減少，導(dǎo)致塊煤單耗出現(xiàn)拐點。圖1為2010年1～8月份煤中固定碳、揮發(fā)分與粗煤氣耗塊煤單耗情況圖。

圖1 2010年1～8月份煤中固定碳、揮發(fā)分與塊煤單耗圖

從上圖可以看出，8月份煤種固定碳升高(即發(fā)熱量升高)，但粗煤氣耗塊煤單耗卻出現(xiàn)拐點，呈上升趨勢，充分說明并不是煤中固定碳越高越好，也就是說固定碳的含量相對應(yīng)氣化負荷等因素應(yīng)有一個合理的區(qū)間?？梢?，針對煤的固定碳對魯奇氣化爐經(jīng)濟運行的影響，還有大量的工作值得我們?nèi)パ芯亢头治觥?/p>

2 氣化爐穩(wěn)定經(jīng)濟運行的煤質(zhì)建議及措施

2.1 集中采購并據(jù)灰熔點分類堆放

據(jù)魯奇氣化爐對煤的特殊要求，煤炭采購中應(yīng)將灰熔點作為一項主要的控制指標，盡可能集中采購灰熔點相近的煤種。若因采購困難造成灰熔點相差較大，在煤場中應(yīng)據(jù)煤質(zhì)、灰熔點等分類堆放，入爐前應(yīng)將灰熔點相近的煤合理搭配。盡量避免在氣化爐上頻繁切換使用不同灰熔點的煤，以利氣化爐操作時最佳汽氧比的選擇和經(jīng)濟運行。

2.2 降低灰分加強矸石手選能力

灰分和矸石無任何利用價值，增加了運輸成本。煤炭采購中應(yīng)據(jù)價合理控制灰分，灰分含量越低越好。此外，在備煤過程中應(yīng)增加人力選矸的能力，矸石含量過高嚴重影響設(shè)備運行周期，造成設(shè)備檢修頻次增加，開停車頻繁。氣化爐檢修頻次增加所帶來的費用遠遠高于選矸人力成本費用，同時氣化爐長周期穩(wěn)定運行還會帶來更好的經(jīng)濟效益。

2.3 合理選擇發(fā)熱量保證用煤粒度

以煤中固定碳含量或發(fā)熱量采購，合理選取適合魯奇氣化工藝的煤，避免盲目追求過高固定碳含量，造成原料成本過高，氣化爐運行不經(jīng)濟。煤炭采購中要嚴格控制塊煤下限率，末煤含量盡可能少，同時在煤運輸、裝卸、進入氣化爐過程中盡量減少不必要的碰撞和擠壓，充分利用塊煤。此外，煤廠還應(yīng)加強雨雪季節(jié)原料煤防水，可利用加蓋遮雨布或存于煤棚中，避免入廠干煤二次受水，滿足氣化爐的穩(wěn)定運行。

［1］宿鳳明，劉 江.煤質(zhì)對固定床氣化爐氣化性能影響的工業(yè)試驗研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2010，28(1):21-24.

［2］孔令坡.淺析氣化指標對煤氣化工藝的影響［J］.煤質(zhì)技術(shù)，2007，(6):51-52.

［3］韓義軍，耿俊峰.煤質(zhì)變化對氣化爐操作的影響［J］.煤炭技術(shù)，2002，21(1):50-51.