褐煤加壓氣化爐工況培養(yǎng)的分析研究

【摘 要】通過大唐克旗煤制天然氣公司自投產(chǎn)以來，采用來自于錫林浩特市四個(gè)不同煤礦企業(yè)的褐煤進(jìn)行碎煤加壓氣化，通過一年來的生產(chǎn)運(yùn)行試燒，研究出適合本地區(qū)煤種的氣化方法、切換煤種、混合試燒等多煤種的工況操作方法，不但能夠完全滿足生產(chǎn)中各項(xiàng)工藝指標(biāo)的操作要求，同時(shí)保證氣化爐長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)很好的經(jīng)濟(jì)效益。為褐煤氣化的穩(wěn)定性、安全性及可靠性提出了新思路，真正地實(shí)現(xiàn)了碎煤氣化制取天然氣的工業(yè)示范意義。

【關(guān)鍵詞】碎煤氣化；褐煤；工況

1.前言

中國是一個(gè)富煤、貧油、少氣的資源特點(diǎn)的國家，因此利用好煤炭資源、發(fā)展?jié)崈裘恨D(zhuǎn)化是我們國家未來的能源發(fā)展趨勢。由于褐煤探明儲量占煤炭總量的60%以上，如何利用好這部分能源，是關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素，因此近幾年來碎煤加壓氣化制天然氣工藝、褐煤提質(zhì)等示范工程的不斷投產(chǎn)，使現(xiàn)代煤化工行業(yè)得到了長足的發(fā)展，雖然試生產(chǎn)初期在耗能、環(huán)保等方面受到國內(nèi)外專家的質(zhì)疑，但整體工藝路線上已經(jīng)不存在任何的瓶頸問題，經(jīng)過一定時(shí)間的工藝優(yōu)化、設(shè)備改造及高效管理，褐煤氣化制天然氣項(xiàng)目一定會有更好的發(fā)展前景，并且可作為進(jìn)口天然氣的補(bǔ)充氣源，保障國家的能源安全。

褐煤氣化一直是國內(nèi)外煤化工行業(yè)的技術(shù)難題。主要原因是褐煤煤質(zhì)中水分高、熱值低、灰熔點(diǎn)低、揮發(fā)高等特點(diǎn)，在氣化過程中熱量損失大、氣化爐工況不易控制、副產(chǎn)物復(fù)雜、煤氣水產(chǎn)量多而難于處理，環(huán)保問題一直制約著煤褐煤氣化的發(fā)展。

2.碎煤氣化工藝原理及工藝流程

2.1工藝原理

由于煤是一種復(fù)雜的化合物，在加熱過程中又發(fā)生熱分解，其熱力學(xué)性質(zhì)較難測定，文獻(xiàn)上的數(shù)據(jù)也不一致。

氣化過程的主要反應(yīng)，既碳與水發(fā)生的異相反應(yīng)，是強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)。

1）碳的氧化反應(yīng)：C+O2CO2+393.8KJ/mol

2）碳的不完全氧化反應(yīng)：2C+O22CO+221.1KJ/mol

3）二氧化碳還原反應(yīng)：C+CO22CO-221.1KJ/mol

4）水蒸汽分解：C+H2OH2+CO-131.5KJ/mol

5）水蒸汽分解反應(yīng)：C+2H2O2H2+CO2-90.0KJ/mol

6）一氧化碳變換反應(yīng)：CO+H2OCO2+H2+41KJ/mol

7）異相甲烷化反應(yīng)：C+2H2CH4+74.9KJ/mol

8）均相甲烷化反應(yīng)：CO+3H2CH4+H2O+206.4KJ/mol

9）均相甲烷化反應(yīng)：2CO+3H2CH4+CO2+247.4KJ/mol

10）均相甲烷化反應(yīng)：CO2+4H2CH4+2H2O+165.4KJ/mol

注：“+”表示為放熱反應(yīng)，“-”為吸熱反應(yīng)

氣化的目的產(chǎn)品是燃料氣或化工原料氣，其有效成分是：CO、H2、CH4?？梢姺磻?yīng)（3）、（4）是生產(chǎn)可燃性氣體的主要反應(yīng)。因此要求氣化過程中，該反應(yīng)能順利進(jìn)行，反應(yīng)（6）可把CO變換為H2，故該反應(yīng)在生產(chǎn)原料氣時(shí)，可用于調(diào)整原料氣中CO和H2的比例，在生產(chǎn)城市煤氣時(shí)，可用于降低CO的含量，反應(yīng)（7）是生成甲烷的主要反應(yīng)，該反應(yīng)的進(jìn)行，有利于煤氣熱值的提高，同時(shí)有利于煤制天然氣工藝目標(biāo)產(chǎn)品的生成。

反應(yīng)（1）、（2）為放熱反應(yīng)，作為內(nèi)部熱源，提供工藝過程所需的熱量，使氣化過程維持在高溫下進(jìn)行。（3）、（4）是強(qiáng)烈的吸熱反應(yīng)，其熱量的來源由式（1）、（2）供給，（6）、（7）是放熱反應(yīng)，氣化過程中這兩個(gè)反應(yīng)的進(jìn)行，有利于熱量的平衡，可節(jié)省消耗于燃燒反應(yīng)的碳量，以（8）為主的甲烷化反應(yīng)均為強(qiáng)放熱反應(yīng)。

根據(jù)負(fù)荷最低定律，用水蒸汽氣化原料煤時(shí)，會有以下結(jié)果，隨著溫度的提高，CO2、CH4、H2O諸氣體組分的形成量明顯下降，CO、H2的量增加。

隨著壓力的提高，CH4比重增大，而H2和CO的形成量下降，CO2略有增加。因?yàn)楦鱾€(gè)反應(yīng)過程是相互抑制的，僅通過熱力學(xué)來調(diào)節(jié)各個(gè)反應(yīng)過程的平衡是不可能的。另一方面，異相的水煤氣反應(yīng)是灰中的鐵和堿金屬催化的。

因此，提高壓力，降低溫度，對天然氣生產(chǎn)十分有利。

2.2工藝流程

褐煤通過煤料溜槽、煤鎖進(jìn)入氣化爐，與氣化爐底部進(jìn)入的氣化劑逆流流動，在壓力3.0～4.1MPa，溫度在850～1150℃的工藝條件下，發(fā)生氣化反應(yīng)，褐煤從上到下在氣化爐中依次經(jīng)過干燥層、干餾層、還原層、氧化層及灰渣層，生成主要含有H2、CO、CH4、CO2等組分的粗煤氣。氣化爐是一個(gè)夾套式圓柱型的筒體，夾套中產(chǎn)生的中壓蒸汽經(jīng)過氣液分離后進(jìn)入氣化劑混合管，參與氣化反應(yīng)；通過氣化爐底部的旋轉(zhuǎn)爐篦的不斷旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的灰渣從旋轉(zhuǎn)爐篦的圓周與氣化爐內(nèi)壁的間隙中排出，進(jìn)入灰鎖，最后經(jīng)過壓力變換成常壓后排入渣溝，利用水力沖渣方式送出，經(jīng)橋式抓斗機(jī)抓渣提升到?jīng)鰰衽_，最好采用汽車外運(yùn)售走。

經(jīng)過氣化反應(yīng)產(chǎn)生的粗煤氣從氣化爐上部側(cè)壁氣化爐出口以約250～400℃離開氣化爐，進(jìn)入內(nèi)部設(shè)有文丘里管的粗煤氣洗滌冷卻器，粗煤氣下行與高壓噴射煤氣水充分混合，將粗煤氣中的焦油和粉塵洗滌冷卻下來，粗煤氣降到210℃，然后進(jìn)入浮頭式列管換熱器，粗煤氣與低壓鍋爐給水間接換熱，粗煤氣以160～180℃左右的溫度從廢熱鍋爐頂部被送出，進(jìn)入中溫耐硫耐油一氧化碳變換工段，調(diào)整粗煤氣中的氫碳組分，最終滿足甲烷化反應(yīng)的需要。

3.主要工藝操作條件

3.1氣化壓力

在碎煤加壓氣化過程中，生產(chǎn)操作壓力是氣化工藝過程中的一個(gè)重要控制參數(shù)。氣化壓力對煤氣組成，蒸汽消耗量，氧氣消耗量，氣化爐生產(chǎn)能力以及煤氣生產(chǎn)率都有不同程度的影響。煤制天然氣工藝中的最終產(chǎn)品是甲烷，而隨著壓力的提高，碎煤氣化后的粗煤氣組分中甲烷含量就越高，因此提高壓力對生產(chǎn)十分有利。同時(shí)提高壓力，可以碎煤氣化爐的生產(chǎn)能力，降低下游工序的設(shè)備投資，并保證凈化后的煤氣有一個(gè)很高的壓力，有利于遠(yuǎn)距離輸送。經(jīng)過一年試產(chǎn)研究，碎煤氣化的最佳壓力為3.8MPa。

3.2氣化劑溫度和氣化劑溫度。

氣化溫度對氣化過程的熱力學(xué)和動力學(xué)均產(chǎn)生決定性影響，生產(chǎn)證明提高操作溫度是強(qiáng)化生產(chǎn)的最重要手段，可減少投資，降低成本。

影響燃料層溫度的因素很多，其中最主要的是通入爐中氣化劑的組成，由于燃燒反應(yīng)放出大量熱量，而還原反應(yīng)需吸收熱量，因此最適宜的氣化溫度的選擇，主要是根據(jù)原料煤的灰熔點(diǎn)和灰性能來決定的，氣化層溫度必須低于灰的熔融溫度。

通常在生產(chǎn)天然氣等燃料氣時(shí)，當(dāng)原料為褐煤，操作溫度在950～1050℃左右最佳。生產(chǎn)合成原料氣時(shí)，可以提高到1150℃，溫度再高，將帶來一系列不良后果，增大出口煤氣顯熱損失，使灰分發(fā)生軟化，熔融而成高粘度的液態(tài)或半液態(tài)物質(zhì)?？似旃舅玫膸追N褐煤的灰熔點(diǎn)均在1150～1250℃之間，因此氣化層溫度控制在1050℃之下。

3.3汽氧比的選擇

加壓氣化煤氣生產(chǎn)中，汽氧比是一個(gè)重要操作條件，改變汽氧比的過程，實(shí)際是調(diào)整和控制氣化溫度的過程。當(dāng)汽氧比低時(shí)，氣化層溫度就高，為控制氧化層的最高溫度，在固態(tài)排渣氣化爐中，首先應(yīng)保證在灰不熔融成渣的基礎(chǔ)上，維持足夠高的溫度，以保證煤完全氣化。

在一定的氣化程度和不同煤氣組成要求的條件下，同一種煤，汽氧比有一個(gè)變動范圍，每一種氣化用原料煤，其汽氧比值的變動范圍不同。通常，變質(zhì)程度深的煤，采用小的汽氧比，能適當(dāng)提高氣化爐內(nèi)的溫度，以提高生產(chǎn)能力。

采用不同的汽氧比，對煤氣生產(chǎn)過程的影響主要有：

在一定的熱負(fù)荷條件下，水蒸汽的消耗量隨汽氧比的增加而增加；氧氣的消耗量隨汽氧比增加而相對減少。

隨汽氧比的升高，水蒸汽的分解顯著降低。

汽氧比的改變對煤氣組成的影響很大。

汽氧比改變和爐內(nèi)溫度的變化對付產(chǎn)品的產(chǎn)率和性質(zhì)也有影響。

克旗公司所用褐煤，由于灰熔點(diǎn)低，汽氧比的調(diào)整范圍比較小，汽氧比過低，氣化爐會出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象，汽氧比過高，灰分過細(xì)，灰聚結(jié)在氣化爐旋轉(zhuǎn)爐篦上方，造成澎料不下灰，影響氣化爐的工況，同時(shí)煤氣水的產(chǎn)量迅速增加，增加了煤氣水分離裝置、酚氨回收裝置的處理負(fù)荷。經(jīng)過一年來的氣化運(yùn)行試驗(yàn)，最終確定汽氧比控制在6.1～6.5之間為最佳生產(chǎn)狀態(tài)。

3.4對氣化原料和氣化劑的要求。

通過原料煤熱分解，在氣化爐內(nèi)上升的煤氣流將軟化的揮發(fā)分吸收，并作為混合氣體離開氣化爐之后，在熱解后剩余的焦碳孔隙內(nèi)發(fā)生異相氣化反應(yīng)，煤的粒度小，反應(yīng)物質(zhì)交換和熱傳遞的提高就會愈快。但是，氣化原料的粒度范圍，不僅有上限的限制，細(xì)粒會提高粉塵的帶出量，從而導(dǎo)致熱效率降低。粗粒在有效的工作時(shí)間內(nèi)，不能干燥和脫氣，這種情況會引起氣化過程的疊加，引起粗煤氣產(chǎn)量下降，而CO2和水蒸汽含量則增加。

克旗公司所有褐煤，由于其機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定較差，保證原料煤的粒度范圍為5～60mm（上、下限所占比例為不高于于5%質(zhì)量）的情況下，氣化爐的粗煤氣產(chǎn)量可達(dá)42000Nm3/h。

對于氣化爐內(nèi)反應(yīng)區(qū)的形成來講，首先必須保證物料均勻移動這一條件，灰渣的排出方式和氣化劑組合及供給形式起著決定性作用。旋轉(zhuǎn)爐篦的設(shè)計(jì)可以使氣化爐內(nèi)固體物料均勻地由上到下移動。氣化劑混合物通過氣化爐截面的均勻分布同時(shí)決定著固體物料的均勻移動。

加入氣化爐中煤的顆粒的組成的均勻性，也是很重要的，能夠保證物料機(jī)械結(jié)構(gòu)的均一性，原料顆粒的大小不均一，在物料流動過程中容易引起堆料結(jié)構(gòu)發(fā)生根本變化，出現(xiàn)溝狀流動。

通過上面分析可以看出，碎煤加壓氣化的主要操控手段是，根據(jù)不同煤質(zhì)情況和生產(chǎn)負(fù)荷，合理的降低汽氧比和均勻地調(diào)整旋轉(zhuǎn)的爐篦轉(zhuǎn)速，使氣化爐具有一個(gè)穩(wěn)定均勻的氣、固相流動和化學(xué)反應(yīng)，保證氣化爐的可靠運(yùn)行，提高生產(chǎn)能力。

4.采用四個(gè)企業(yè)的不同褐煤參數(shù)比較

1）工業(yè)分析比較

工業(yè)分析

2）元素分析比較

5.以褐煤為原料碎煤氣化爐運(yùn)行的現(xiàn)狀和存在的問題

目前國內(nèi)運(yùn)行煤制天然氣項(xiàng)目包括大唐克旗公司、新疆慶華公司、新疆廣匯公司，均采用的均是碎煤氣化工藝，所用煤種都是褐煤，普遍存在的問題包括煤質(zhì)水分高、熱值低，氣化過程在爐內(nèi)停留時(shí)間短，加煤過程十分頻繁；褐煤機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定弱，出塊率低，易于風(fēng)化碎裂，加上正常操作時(shí)必須保證汽氧比高，床層溫度相對低，造成氣化爐內(nèi)爐篦上部澎料嚴(yán)重，下灰不順暢；灰份低，熱值低，旋轉(zhuǎn)爐篦轉(zhuǎn)動無法連續(xù)，總體趨勢不平穩(wěn)，床層薄，容易造成氣化爐內(nèi)氣固相物料的偏流和燒穿的現(xiàn)象，爐出口和爐頂溫度波動大，可操控性能差；灰熔點(diǎn)低，汽氧比高，造成爐溫低，爐出口溫度低，焦油產(chǎn)量高，煤氣水產(chǎn)量大，粉塵帶出量大；爐溫低，氣化不完全，造成灰中殘?zhí)柯矢呋以鼫囟雀?，在進(jìn)入灰鎖后容易發(fā)生二次氣化。

利用神華煤氣化，灰分高，氣化爐爐篦轉(zhuǎn)速高，排灰循環(huán)頻率高，氣化渣池抓渣時(shí)間長，不及時(shí)灰渣容易填滿渣池；而利用烏蘭圖嘎煤或蒙紅煤，水分高，氣化后產(chǎn)生的煤氣水量大，煤氣水大罐液位持續(xù)高，酚回收系統(tǒng)處理能力不夠。

6.處理措施

針對褐煤加壓氣化工藝復(fù)雜的特點(diǎn)，在充分利用好現(xiàn)有設(shè)備、備品備件的前提下，保證設(shè)備檢修質(zhì)量，工藝管理上提出了一些新方法。

1）將手動加煤循環(huán)改為自動加煤程序，通過在一定氧負(fù)荷、煤質(zhì)及對應(yīng)的爐篦轉(zhuǎn)速下，通過監(jiān)測煤鎖壓力的歷史趨勢控制加煤時(shí)間間隔，同時(shí)兼顧煤鎖大法蘭溫度的上升趨勢，各臺爐煤鎖泄壓進(jìn)行排隊(duì)，既保證單系列七臺氣化爐正常充泄壓，滿足加煤溫度，杜絕了氣化爐缺煤超溫現(xiàn)象，同時(shí)又使煤鎖氣回收系統(tǒng)氣柜高度的穩(wěn)定上漲、下降速率，保證了煤鎖氣壓縮機(jī)擁有穩(wěn)定的氣源；

2）嚴(yán)格控制入爐煤的粒度，結(jié)合不同煤質(zhì)，確定不同的粒徑分布，將煤的粒度8～60mm范圍內(nèi)，上限粒徑分布﹥60mm，不能高于5%，下限粒徑分布﹤8mm不能超過12%，既能保證褐煤在氣化爐內(nèi)的穩(wěn)定均一流動狀態(tài)下有一定停留時(shí)間內(nèi)保證完全氣化，又能保證不發(fā)生氣化反應(yīng)疊加，粗煤氣中帶出物相對減少；

3）在氣化正常運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)在氣化爐爐篦上部有澎料的情況時(shí)，迅速地大幅度降低氧氣負(fù)荷，使氣化劑和粗煤氣上升的速度降低，氣化爐內(nèi)部固相物料的相對下降速度增加，從而使灰渣在旋轉(zhuǎn)爐篦的轉(zhuǎn)動下排灰正常；

4）針對不同煤質(zhì)，及時(shí)低調(diào)整爐篦的轉(zhuǎn)動速度，保證爐篦有一個(gè)相對穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，在氣化爐內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)均一的床層，有效減少氣化爐物料出現(xiàn)溝流和偏燒的現(xiàn)象發(fā)生，減少出口溫度的波動，保證粗煤氣產(chǎn)品質(zhì)量，避免發(fā)生CO2和O2超標(biāo)的危險(xiǎn)；

5）根據(jù)煤質(zhì)的工業(yè)分析和元素分析、灰熔點(diǎn)，爐出口溫度和灰鎖溫度，粗煤氣組分分析、灰樣及下灰情況合理地調(diào)整汽氧比，保證氣化爐的足夠高的爐溫，同時(shí)又不發(fā)生床層結(jié)渣現(xiàn)象，從根本上降低煤氣水的產(chǎn)生，減輕了水處理工段的負(fù)荷和壓力。

6）要求抓渣崗位，每班必須抓渣8車/50t，需要連續(xù)抓渣時(shí)間4h以上，利用視頻連續(xù)進(jìn)行監(jiān)控管理；

7）將煤質(zhì)相對較差的蒙紅煤和烏蘭圖嘎煤，與相對煤質(zhì)較好的神華煤、大唐煤進(jìn)行配比摻燒，由最初1：1的比例逐漸提高到2：1進(jìn)行摻混氣化試驗(yàn)，目前氣化爐大法蘭溫度、出口溫度、灰鎖溫度正常，工況穩(wěn)定，粗煤氣組分合格，避免了切換煤種過程中工藝參數(shù)超標(biāo)，造成氣化爐聯(lián)鎖停車事故的發(fā)生，從工藝操作方面實(shí)現(xiàn)了氣化爐的長周期運(yùn)行。

7.結(jié)論

通過對大唐克旗煤制天然氣公司采用的四個(gè)煤礦的褐煤進(jìn)行氣化生產(chǎn)試驗(yàn)，摸索出一套應(yīng)對不同褐煤氣化的工藝調(diào)控方法，保證氣化爐系統(tǒng)設(shè)備的安全可靠前提下，控制好入爐煤粒度、降低汽氧比，精確調(diào)整爐篦的轉(zhuǎn)速，保證床層溫度，通過高負(fù)荷運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)氣化爐達(dá)產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

為褐煤氣化制天然氣工藝的穩(wěn)健發(fā)展提出了新思路，具有很好的工業(yè)示范作用。