碎煤加壓氣化爐空氣點火開車方法的改進

(中海油大同SNG項目組，山西 大同 037000)

碎煤加壓氣化爐是煤化工的關(guān)鍵設(shè)備，也被看作是煤氣化爐中的發(fā)生器。這種產(chǎn)自德國的工藝技術(shù)，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛地應(yīng)用。上世紀70年代末期，山西化肥廠氣化裝置成套引進了德國魯奇第三代碎煤加壓氣化工藝技術(shù)，同時也開始了針對魯奇工藝生產(chǎn)的探索和研究。本文以國內(nèi)采用該氣化技術(shù)的某化工企業(yè)對魯奇碎煤爐的運行狀況作為研究對象，總結(jié)了國內(nèi)魯奇工藝加壓氣化爐的運行和改造現(xiàn)狀，提出了氣化爐空氣點火的注意事項和操作方式。

1 碎煤加壓氣化技術(shù)來源

魯奇加壓氣化爐是最早的一種碎煤加壓氣化工藝，也是工業(yè)化最早的一種加壓氣化工藝。以固態(tài)排渣的魯奇碎煤加壓氣化技術(shù)于1927年開始研發(fā)，經(jīng)過70多年的不斷發(fā)展和改進，魯奇碎煤氣化爐處理煤種的適應(yīng)性由原先的褐煤逐漸擴展到弱黏結(jié)煤的所有煤種，該氣化技術(shù)的單爐產(chǎn)氣量也不斷增加，由原先的第一代爐型8 000Nm3/h到現(xiàn)在的第4代爐型120 000Nm3/h。由于工藝技術(shù)的不斷完善和成熟，魯奇公司的氣化技術(shù)已經(jīng)被很多國家采用。到目前為止，魯奇公司先后開發(fā)出了4代氣化技術(shù)，尤其是魯奇Mark4型第3代氣化技術(shù)，在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的應(yīng)用。世界范圍內(nèi)，由魯奇公司提供成套技術(shù)并且正在運行的氣化爐有100多臺，其中80 臺在南非，14臺在美國，7臺在印度金達，7臺在中國(其中4臺在天脊集團，3臺在河南義馬集團)。目前，該氣化爐運行狀況良好。早期國內(nèi)采用的是魯奇Mark4型氣化爐，氣化爐壓力2.95～3.05MPa(g)，單爐產(chǎn)氣量3.5萬～5.5萬Nm3/h，氣化爐運行基本穩(wěn)定，也基本實現(xiàn)了污水達標(biāo)排放。

2 碎煤加壓氣化技術(shù)在國內(nèi)的開發(fā)與應(yīng)用

在中國，為了開發(fā)這項煤氣化技術(shù)，上世紀60年代初到70年代末，我國也相繼在云南、沈陽、山西、哈爾濱、蘭州等地建起了魯奇碎煤加壓氣化工廠。國內(nèi)的賽鼎工程有限公司主要承擔(dān)設(shè)計了φ2.8碎煤加壓氣化爐的設(shè)計和運行，賽鼎工程公司完成了天脊第5臺爐Mark4氣化爐設(shè)計和義馬煤氣廠5臺Mark4氣化爐的設(shè)計，并順利建成投產(chǎn)。

近年來，賽鼎工程有限公司又在Mark4型氣化爐運行操作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開發(fā)了新一代碎煤加壓氣化爐——賽鼎4.0氣化爐。大唐克什克騰煤制天然氣公司氣化裝置就采用該公司設(shè)計的4.0MPa(g)的碎煤加壓氣化爐，該碎煤加壓氣化爐實現(xiàn)了穩(wěn)定運行。

3 碎煤加壓氣化爐工藝特點

碎煤加壓氣化工藝技術(shù)是以煤和氣化劑中的氧氣燃燒提供熱量，由底部旋轉(zhuǎn)的爐箅來分布氣化劑，并與上部下降的燃料煤逆向接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)后的煤將剩余的灰渣以固態(tài)形式排出氣化爐的生產(chǎn)工藝。氣化爐爐體是由雙層鋼板制成的壓力容器，內(nèi)外筒體之間形成一夾套，夾套內(nèi)充有鍋爐水作為補給水，操作期間，夾套吸收氣化爐內(nèi)的熱量，產(chǎn)生飽和蒸汽，壓力稍高于氣化爐壓力，此蒸汽并入到氣化劑管線后返回至氣化爐內(nèi)，這樣可合理利用了自產(chǎn)蒸汽，外供的過熱蒸汽供給量就減少了。

粒度為6～50mm的煤，從常壓的煤倉通過煤鎖加泄壓間斷地加入到帶壓的氣化爐內(nèi)。煤進入氣化爐后，經(jīng)過煤的干燥、干餾進入到氣化層，與來自底部爐箅的氣化劑(經(jīng)過灰渣層吸熱和燃燒層燃燒)逆流接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成含有一氧化碳、二氧化碳、氫氣、甲烷等成分的合成粗煤氣，生成的粗煤氣將熱量傳遞給逐步下降的煤層，以500～600℃的溫度離開氣化爐進入到氣化裝置的洗滌冷卻系統(tǒng)，進行處理后送出界區(qū)，洗滌冷液混合物被送入煤氣水分離裝置進一步分離。反應(yīng)完的燃料煤所產(chǎn)生的灰渣被連續(xù)排入到底部的灰鎖中，通過加泄壓間斷地排入到底部的豎灰管中，進入到排渣溝中用循環(huán)灰水沖至灰渣池。

4 碎煤加壓氣化爐點火原理

4.1 煤自燃的原理

碎煤加壓氣化爐開車過程共5步，主要包括蒸汽升溫、空氣點火、徹氧、提壓和并網(wǎng)。其中，空氣點火是氣化爐開車過程中重要的步驟之一，是氣化爐順利開車的關(guān)鍵步驟。

碎煤加壓氣化爐用空氣點火的設(shè)計是結(jié)合了煤的自燃原理，煤在空氣中長時間堆積就會出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。暴露在空氣中的煤會逐漸被氧化，由于其氧化過程放出熱量，但煤屬于非均相物質(zhì)，所產(chǎn)生的熱量不易被傳導(dǎo)出去，就會使煤的溫度越來越高，受熱的煤就會熱解，溫度就會進一步升高，最終發(fā)生自燃。根據(jù)燃燒的三要素，當(dāng)可燃物、助燃物、溫度三者并存時，物質(zhì)就會燃燒。因此，碎煤加壓氣化爐用空氣點火就是利用煤是可燃物的原理，通入蒸汽對其加熱，使其加速達到自身的燃點，再通入空氣將其點燃，從而完成對氣化爐的點火。

4.2 碎煤加壓氣化點火的過程及原理

過去，碎煤加壓氣化采用明火點火開車操作，在氣化爐的頂部設(shè)置2～3個直徑為100mm的點火孔，其點火前需預(yù)先準備在爐內(nèi)鋪設(shè)易燃的木柴、油布等，然后將點燃的火把由頂部的點火孔投入到氣化爐內(nèi)引燃開車，隨后逐步加入燃料煤來完成氣化爐點火。

現(xiàn)在，碎煤加壓氣化爐點火的方式是基于煤的自燃和氧化原理，采用空氣或氧氣點火(目前考慮的煤種及安全的原因主要采用空氣點火)。首先，通過爐箅將高壓蒸汽從氣化爐底部的氣化劑管線通入到氣化爐內(nèi)，對氣化爐內(nèi)燃料煤升溫，根據(jù)升溫的情況再通入空氣將燃料煤點燃。由煤的自燃原理可知，原料煤溫度越高越利于煤自燃，煤層散熱越慢越有利于煤的點火?？梢?，為了順利點火，對煤層加熱和防止其散熱是氣化爐點火成功的關(guān)鍵。

5 氣化爐空氣點火的一般操作步驟

5.1 蒸汽升溫

緩慢將高壓蒸汽經(jīng)氣化劑管線通入到氣化爐內(nèi)，穩(wěn)定蒸汽流量，逐漸調(diào)整氣化爐壓力，將其設(shè)定在0.3或0.4MPa(g)，將壓力控制閥投入自動運行，保持壓力穩(wěn)定。氣化爐蒸汽升溫時，使氣化爐的壓力保持在0.4MPa(g)，對于氣化爐燃料煤的升溫有很好的作用。因為設(shè)定穩(wěn)定壓力時，可以避免由于壓力的波動導(dǎo)致氣化爐內(nèi)的小顆粒被攜帶出去，使床層平穩(wěn)，熱效提高，也使床層受熱均勻，但也要及時排放與煤換熱后高溫蒸汽的冷凝液。

5.2 空氣點火

氣化爐空氣點火指的是將煤加熱到自燃點，然后通入空氣將煤點燃。

(1)首先，確認空氣點火的重要條件，當(dāng)氣化爐的高壓過熱蒸汽連續(xù)對氣化爐內(nèi)的煤層升溫加熱達到或超過3h，氣化爐出口溫度大于100℃以上時，就具備空氣點火的條件。

(2)關(guān)閉進入氣化爐的過熱蒸汽，緩慢將開工空氣通入到氣化爐內(nèi)，空氣流量控制在1 500～2 000Nm3/h之間并保持穩(wěn)定。用氣體分析儀連續(xù)分析氣化爐出口氣體的成分，主要是CO2和O2的含量。若連續(xù)幾個分析樣中CO2>3%且逐漸在增加，O2<16%且在下降，則就可判斷氣化爐內(nèi)煤已點燃。繼續(xù)通入空氣，適當(dāng)配入過熱蒸汽調(diào)整進氣化爐氣化劑的溫度在120～140℃，半小時后增加空氣流量至3 000Nm3/h，此時相應(yīng)地調(diào)整蒸汽流量，以維持氣化劑的溫度處于穩(wěn)定。

6 空氣點火后存在的問題

按照以上步驟進行空氣點火后，化驗分析空氣點火成功，但當(dāng)通入蒸汽后仍出現(xiàn)氣化爐熄火或者指標(biāo)長時間不合格的情況。在實踐中出現(xiàn)多次氣化爐點火熄滅的情況，氣化爐點火失敗就需要重新開始蒸汽升溫等一系列的操作步驟，嚴重影響了氣化爐的開車時間和安全運行。

7 解決辦法

經(jīng)過分析氣化爐內(nèi)煤點火熄滅的情況，認為在點火初期已經(jīng)確認點火成功，通入蒸汽時反而熄火，造成爐內(nèi)熄火的根本原因就是蒸汽量的配入過早、過大，使熱量被帶走，致使煤層溫度降低而滅火。因為點火完成初期，著火的床層溫度并不算太高，整個床層未能全部點燃，此時只有部分燃料煤被點燃，燃燒反應(yīng)比較弱。若此時過早地大量增加蒸汽來調(diào)節(jié)氣化劑溫度，雖然進入氣化爐的氣化劑溫度是提高了，但是也會由于氣流量太大，將氣化爐內(nèi)的熱量帶出，即氣化爐燃燒所產(chǎn)生的熱量低于氣流帶走的熱量，使?fàn)t內(nèi)反應(yīng)熱量與損失不平衡，反而將氣化爐內(nèi)煤吹滅，最終導(dǎo)致熄火。即使按照氣化劑120～140℃溫度來調(diào)節(jié)，也會出現(xiàn)熄滅的情況。因此，決定在空氣點火后再不急于投入蒸汽來調(diào)整氣化劑溫度，而是繼續(xù)通入空氣讓其繼續(xù)燃燒并緩慢增加空氣量，讓床層溫度平穩(wěn)升高，并且觀察氣化爐出口氧氣的指標(biāo)，直至氣化爐出口氧氣指標(biāo)合格，即氧含量≤0.1%后，再配入蒸汽，這樣就可以避免由于蒸汽量過大，導(dǎo)致氣化爐煤層熄火，也可以避免氧氣指標(biāo)長時間不合格。某化工企業(yè)進行多次實踐，都取得了圓滿的成功。

在中煤朔州某新建的碎煤加壓氣化裝置氣化開車過程中，按照原先的操作步驟，在點火后配入蒸汽，也多次出現(xiàn)點火不成功或氧氣指標(biāo)合格緩慢的情況，嚴重影響了開車的時間及安全。在改進操作方法后，沒有出現(xiàn)過點火不成功的情況，并且氣化爐在運行中更安全。在實踐中采用這種方式，點火成功率達到了100%，提高了氣化爐開車運行的穩(wěn)定性。

8 結(jié)語

在碎煤加壓氣化爐的點火步驟中，不急于通入蒸汽，待床層溫度升高并且氧氣指標(biāo)合格后再配入蒸汽，這種操作方式既可以提高氣化爐點火成功率，又可以減少污水和廢氣的排放，還可以減少公共工程氮氣的消耗。在實踐生產(chǎn)過程中更安全、穩(wěn)定，也使廣大操作人員的操作更加簡便、快捷。