Mark－Ⅳ型魯奇爐試燒東勝利褐煤的分析與評價

(河南煤業(yè)化工集團煤氣化公司，河南鄭州 450001)

義馬氣化廠建于1997年，是較早引進德國魯奇造氣工藝的廠家之一，其引進爐型為第三代Mark－Ⅳ魯奇爐。因魯奇氣化爐在各種氣化爐中運行實績較好［1］，近年來受到越來越多國內(nèi)企業(yè)的使用與關注，其在生產(chǎn)城市煤氣、合成氣制甲醇以及煤制天然氣項目中被廣泛引用，國外還將其應用于各種廢棄物氣化的商業(yè)裝置［2］。2008年我廠受內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰旗煤制天然氣項目籌建處委托，決定在魯奇氣化裝置上對內(nèi)蒙古大唐國際錫盟東勝利2#褐煤進行試燒，其采集數(shù)據(jù)為煤制天然氣項目的設計工作提供依據(jù)。

1 東勝利褐煤特點及煤質分析

位于內(nèi)蒙古錫林浩特盟境內(nèi)的東勝利2#煤屬于年老褐煤［3］，是四大煤種之一，其性質接近于煙煤中的長焰煤，該煤種變質程度較淺，固定碳含量低，揮發(fā)分含量高，水分含量高，灰熔點低，活性高，塊煤強度較低，與義馬長焰煤(我廠魯奇爐設計原料煤為義馬長焰煤)相比性質又有所不同，在魯奇爐內(nèi)的氣化特性應與長焰煤較為接近。

東勝利煤煤質工業(yè)分析(空氣干燥基)見表1;元素分析見表2;焦渣特性(CRC)，1;高位發(fā)熱量，1 750 kJ;灰熔點見表3;煤灰成分見表4;熱穩(wěn)定性，TS+6，36.5%，TS6－3，54.8%，TS－3，8.7%;黏結指數(shù)，0;坩堝膨脹序數(shù)，0。

表1 東勝利煤工業(yè)分析(附義馬煤) %

表2 東勝利煤元素分析(附義馬煤) %

表3 東勝利煤的灰熔點(附義馬煤) ℃

表4 東勝利煤灰成分(附義馬煤) %

2 預計試燒工藝指標調整范圍

由于煤質的差異，東勝利煤在魯奇爐內(nèi)反應速度應快于義馬煤，各反應層縮短，初步預估氣化爐的工況控制范圍:粗煤氣出口溫度，230～350℃;灰鎖溫度，300～350℃;灰外觀，灰疏松;爐篦轉速，1～2 r/h;汽氧比，7.5 ±0.5。

操作初期粗煤氣中CO2含量按33% ～36%控制，汽氧比從8.0調整，然后據(jù)爐篦電流及排出灰的顏色、粒度，逐步摸索最佳汽氧比。

3 東勝利煤試燒全過程

按預定計劃，在我廠2#、3#氣化爐上展開試燒，其試燒分5個階段進行，即單爐試燒階段(找最佳汽氧比階段);在最佳汽氧比條件下雙爐滿負荷穩(wěn)定運行72 h試燒階段;CO2返爐試驗階段;點火試驗和超負荷試驗。試驗從2008年6月3日9:50開始至2008年6月8日9:47時結束，前后歷時5 d，共計120 h，鑒于東勝利煤的高活性及煤鎖加煤量的局限，6月5日雙方試燒指揮部同意調整試燒方案，決定不再做點火試驗和高負荷試驗。

3.1 單爐試燒階段

2008年6月3日9:50時，2#氣化爐在煤倉料位指示47%時，加進東勝利煤，氣化爐負荷維持7 000 Nm3/h，汽氧比由義馬煤的汽氧比6.5調整為8.0，至12:00時煤進入氣化爐頂部，出口溫度由410℃降低至370℃。至13:00時粗煤氣半分析，CO2，35.2%;O2，0.4%，表明東勝利煤已達爐反應層。緩慢降負荷，煤鎖溫度和下法蘭溫度上升較快，煤鎖加煤頻次加快，最高達7鎖/h，煤鎖加煤自動程序不得不切換為手動。氣化爐負荷被迫降至5 000 Nm3/h，至14:00時煤鎖下法蘭溫度和煤鎖溫度仍超過報警值，煤鎖加煤次數(shù)為5鎖/h，加煤頻次較義馬煤最高負荷操作還快，負荷進一步降至4 500 Nm3/h，穩(wěn)定2 h后，汽氧比由8.0逐漸降至7.0。17:20時逐漸加負荷至4 600 Nm3/h，此后灰鎖溫度逐漸上漲接近400℃，爐篦維持最小轉速，時轉時停。通過階段的運行，我們充分認識到東勝利煤在負荷超過4 500 Nm3/h時維持穩(wěn)定運行是困難的，一個重要原因就是煤鎖加煤跟不上。至6月4日9:00氣化爐工況好轉，灰鎖溫度終低于390℃，且呈逐漸下降趨勢。

2008年6月3日22:00時3#爐煤倉料位為73.4%時加入東勝利煤，期間由于有了2#氣化爐的操作經(jīng)驗，3#氣化爐負荷維持在4 000 Nm3/h，根據(jù)觀察灰況逐漸調整汽氧比至6.1，粗煤氣半分析中CO2控制在33% ～35%，3#氣化爐比原計劃提前5 h投入試燒。通過雙爐驗證:東勝利褐煤由于煤質年輕，煤堆密度小，在我廠氣化爐煤鎖容積條件下，氣化爐正常負荷為4000～4200Nm3/h，增加負荷至4 500 Nm3/h時，氣化爐將難以維持穩(wěn)定運行。

3.2 雙爐滿負荷穩(wěn)定運行階段

這一時段從2008年6月4日16:00時至6月6日24:00時結束，氣化爐負荷基本維持在4000～4 200 Nm3/h，2#爐汽氧比控制在 7.1，3#爐汽氧比控制在 6.1，2#爐粗煤氣出口溫度 198 ～212 ℃，3#爐粗煤氣出口溫度為215～236℃，2#爐灰鎖溫度330～360℃，3#爐灰鎖溫度350～380℃，2#爐爐篦電流18 ～20 A;3#爐爐篦電流在14.5 ～16.5 A，兩爐篦轉速都不超1.4 r/h，時轉時停，粗煤氣半分析中CO2含量33% ～35%，排出灰顏色、渣塊適中，灰中殘?zhí)苛可?，認為是東勝利煤在魯奇爐上穩(wěn)定運行階段。

3.3 CO2返爐試驗階段

應大唐國際的要求，我們作了CO2返氣化爐試燒試驗。2008年6月7日9:55時～6月8日9:40時開始在3#氣化爐進行24 h CO2返爐試驗，該次返爐試驗是建立在我廠之前曾對CO2返爐已取得試燒相關經(jīng)驗的基礎上進行的(已申請專利)。氣化爐壓力維掛在2.8 MPa，氣化爐負荷控制在4 000 Nm3/h，通入的CO2流量控制在2 000 Nm3/h左右，產(chǎn)生的粗煤氣并入系統(tǒng)。試驗再次證明，CO2返爐后，在汽氧比調整到位時，蒸汽耗量減少，粗煤氣中CO含量增加(約 2%)、H2含量降低(約 1.8%)。CO2返爐替代了部分蒸汽參與氣化反應，既節(jié)約了蒸汽，煤氣水產(chǎn)量降低，又實現(xiàn)了CO2的再利用。這同時也驗證了CO2返爐后在還原層C與CO2大部分被還原成CO理論上的正確性。這可作為高氫煤氣調節(jié)H/C比，用于滿足后續(xù)工藝的一種兩全其美的方法。

4 東勝利煤試燒結果

東勝利煤試燒技術經(jīng)濟指標。整個試燒過程我們做了詳細的運行數(shù)據(jù)記錄，如下頁表5操作指標，下頁表6試燒各項單耗;并對粗煤氣、凈煤氣及副產(chǎn)物的產(chǎn)率、氣化效果進行了分析計算，如下頁表7產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)率及氣化效果。東勝利煤試燒后，粗凈煤氣中的有效氣(CO+H2)含量分別為54.58%、79.88%，其均低于義馬煤粗凈煤氣中有效氣含量，詳見下頁表8、表9。

5 對試燒結果的評價

5.1 備煤系統(tǒng)

表5 操作指標

表6 試燒各項單耗(以kNm3粗煤氣耗原料量)

表7 產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)率及氣化效果

表8 東勝利煤粗煤氣組成 %

本次試燒由于東勝利褐煤機械強度較差，進廠原煤細粉較多，造成經(jīng)破碎和篩分后塊煤利用率低，僅有41.9%，在工程設計中，建議考慮在煤礦對原煤進行初選，選擇合理的破碎塊度及工藝，減少粉煤和大塊煤進廠量，以避免大塊煤堵塞卸煤設施和篩分后粉煤過多造成系統(tǒng)塊粉比失衡，粉煤過剩。此外，東勝利褐煤全水較高，存放過程中易自然干燥造成塊煤失水后風化，一方面使粉煤量增加，塊煤利用率降低;另一方面易造成原煤自燃。建議考慮合理的存放時間和存放地點，既要滿足生產(chǎn)用煤，又要使存放的煤先到先用，減少自燃和風化。

表9 東勝利煤凈煤氣組成

5.2 氣化系統(tǒng)

5.2.1 加煤頻次

由于東勝利褐煤堆密度較低，平均650 kg/m3，造成氣化爐氧負荷為4 000 Nm3/h時加煤頻率達到4～5次，試燒期間加煤自動程序被迫改用手動操作，正常生產(chǎn)中要長期維持如此高的加煤頻率是不現(xiàn)實的，這將影響氣化爐負荷的進一步提高?？紤]到多臺氣化爐充泄壓排隊，合理的加煤頻率應按3次/h設計，設計中應考慮適當加大煤鎖容積，以滿足氣化爐滿負荷生產(chǎn)的煤量核定煤鎖容積。

5.2.2 氣化爐氧負荷

本次試燒單爐最大氧負荷短時達4 500 Nm3/h，正常氧負荷為單爐4 000～4 200 Nm3/h，主要是受加煤次數(shù)制約。預計煤鎖容積加大后，單爐負荷可能提高到6 000 Nm3/h。單爐最高氧負荷可在試生產(chǎn)時逐步探索。但東勝利煤的活性較高，提高氧負荷要格外謹慎，嚴防局部燒穿導致氧含量超標而造成事故。

5.2.3 氣化爐排灰

我廠氣化爐爐篦裝有三把排灰刮刀。試燒東勝利褐煤灰分平均為13.29%，而義馬煤實際生產(chǎn)中灰分為23%左右，故而試燒時爐篦排灰轉速為1～1.5 r/h，魯奇氣化爐主要靠爐篦勻速轉動達到排灰和均勻布氣調整工況的目的，所以爐篦轉速太低不利于工況調整和均勻布氣。據(jù)試燒煤的灰分并考慮留有一定余量，建議爐篦初期按一把刮刀安裝，試生產(chǎn)中若煤中灰分增加，可考慮再安裝第二把刮刀。

5.2.4 汽氧比

本次試燒2#爐平均汽氧比為 7.1 kg/Nm3，3#爐較低，主要原因是蒸汽流量表誤差，我們校核后3#爐平均汽氧比為7.1 kg/Nm3，與2#爐基本相同，按排出的灰渣粒度、顏色判斷，汽氧比仍有下調空間。建議設計中物料平衡按試燒期間平均汽氧比7.0 kg/Nm3進行設計，將來在實際生產(chǎn)中再進一步優(yōu)化。

5.2.5 溫度控制

通過試驗氣化粗煤氣出口溫度應控制在200～230℃，不宜超過240℃，閥下溫度應嚴格控制。出口溫度低造成夾套耗水的減少，氣化劑溫度宜控制在350℃(相對應汽氧比為7.1)附近。此外，煤鎖氣壓縮系統(tǒng)應按試燒結果重新核算煤鎖氣量，以便最大限度回收煤鎖氣。

6 結論

①利用東勝利褐煤在義馬氣化廠兩臺直徑3.8 m Mark－IV型氣化爐上進行完全工業(yè)化試燒，所有數(shù)據(jù)采集階段運行相對穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性好，可作為大唐國際煤制天然氣項目的設計依據(jù)。試燒證明，東勝利褐煤用于魯奇氣化爐原料是可行的。②試燒還表明，我廠現(xiàn)有工藝流程能夠適合東勝利褐煤氣化后煤氣的脫硫脫碳、煤氣水處理、硫回收等技術要求。③東勝利煤生產(chǎn)的凈煤氣中氫碳比在2.17～2.29之間，用于新鮮氣甲醇合成時稍高一些。但CO2的返爐試燒表明用CO2返爐可適當降低氫碳比至2.05～2.10，同時還可減少氣化蒸汽耗量，減少煤氣水產(chǎn)率，回收利用CO2。

［1］羅承先，周韋慧.煤的氣化技術及其應用［J］.中外能源，2009，14(1):28－35.

［2］王 鵬，張科達 .碎煤加壓固定床氣化技術進展［J］.煤化工，2010，(1):12－16.

［3］趙振新，朱書全，馬名杰，等.中國褐煤的綜合優(yōu)化利用［J］.潔凈煤技術，2008，14(1):28－31.