石油焦在多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化裝置上的應(yīng)用

楊 路，王德勝

(寧波中金石化有限公司，浙江鎮(zhèn)海 315203)

隨著國(guó)內(nèi)煤漿氣化的日漸成熟，具有國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的氣化技術(shù)受到眾多企業(yè)的青睞，因此國(guó)內(nèi)的氣化技術(shù)的發(fā)展取得了空前的成就。石油焦作為一種高效利用的能源也在水煤漿氣化上取得了一席之地。通過(guò)對(duì)摻燒石油焦的氣化爐裝置中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，以此來(lái)達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。

石油焦在多噴嘴對(duì)置式水煤漿氣化裝置上的應(yīng)用在寧波中金石化有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中金石化)屬首次應(yīng)用，雖然在GE氣化裝置上也有摻燒石油焦裝置的工業(yè)應(yīng)用業(yè)績(jī)，但是所公開(kāi)的有關(guān)摻燒石油焦的相關(guān)數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)較少，并沒(méi)有多少可以參考的經(jīng)驗(yàn)。在中金石化摻燒的石油焦裝置上出現(xiàn)了較以往氣化裝置異常的現(xiàn)象，渣的分布出現(xiàn)了異常變化，在對(duì)工況的判斷上可能出現(xiàn)誘導(dǎo)，同時(shí)氣體成分以及壁溫的控制上較使用煙煤的氣化裝置出現(xiàn)了明顯差異。因此，充分了解上述異?，F(xiàn)象對(duì)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行有較大的指導(dǎo)意義。

1 對(duì)渣性質(zhì)的影響

氣化渣作為氣化反應(yīng)的產(chǎn)物，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)具有較高的參考價(jià)值。一般來(lái)講，正常的渣樣為較均勻的細(xì)粒，粗、細(xì)渣的比例一般為7∶3或者6∶4。在當(dāng)渣中圓球狀渣比例減少、出現(xiàn)纖維狀渣時(shí)，氣化爐運(yùn)行已經(jīng)出現(xiàn)問(wèn)題。

對(duì)渣的影響主要體現(xiàn)在渣中殘?zhí)己可?，粗渣中水含量增多、?xì)渣比例較多。首先，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境太差，由于粗渣中細(xì)渣含量較多，導(dǎo)致渣的含水量增多，細(xì)渣與水在斜坡段分離不徹底，渣與水的混合物在進(jìn)入渣車(chē)后還會(huì)繼續(xù)進(jìn)行分離，部分細(xì)渣隨水流至地面，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響較大。

粗渣中細(xì)渣多的主要原因在于煤漿的粒度分布較差，一定規(guī)格比例的細(xì)粒子較其他廠(chǎng)家要多1～2倍，雖然細(xì)粒子多對(duì)氣化反應(yīng)有利，有利于提高碳的轉(zhuǎn)化率，但該氣化裝置使用的是7∶3的石油焦，石油焦的反應(yīng)活性較煙煤差很多。同時(shí)，該裝置使用的是特低灰煤種，灰分含量較一般使用的煤種低許多；但是細(xì)灰較難被壁面捕捉，不容易形成較大顆粒，被壁面所能夠捕捉的熔融灰顆粒會(huì)更少[1]。

從渣的形成考慮，一般使用煙煤作為原料的氣化裝置，熔融的灰分和部分碳在被壁面捕捉以后向下流動(dòng)；由于渣有一定的黏度，在流經(jīng)渣口處以滴狀落下，被激冷水淬冷后變形成圓球狀渣。如果溫度低于熔融溫度，最初狀態(tài)下細(xì)灰含量會(huì)增多，在增加氧氣提溫后會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則形狀且尺寸較大的塊渣，形成的圓球狀渣的可燃物幾乎沒(méi)有。

在對(duì)撈渣機(jī)處渣樣分析后發(fā)現(xiàn)：在以往的6.5 MPa 氣化爐運(yùn)行撈渣機(jī)處渣樣鎖斗排渣結(jié)束后，于其前5 min發(fā)現(xiàn)幾乎為圓球狀的渣樣，且對(duì)圓球狀渣樣進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，渣中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本都<2%，因此可以證明圓球狀基本是灰分。而在摻燒石油焦的裝置運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)鎖斗排渣結(jié)束后1～2 min為一些大顆粒渣，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)圓球狀渣，且在對(duì)圓球狀渣進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)渣中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本為5%～10%。造成此種現(xiàn)象的主要原因在于鎖斗排渣結(jié)束后，由于石油焦的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于煙煤的密度，且煤漿以及石油焦的細(xì)粒子較多。在鎖斗排渣后由于大量大細(xì)顆粒在水中沉降速度較慢，會(huì)阻礙圓球狀渣的沉淀，故在鎖斗排渣結(jié)束后撈渣機(jī)首先撈出一些粗顆粒渣，然后才是圓球渣。因此，在摻燒石油焦裝置上對(duì)渣樣的判斷應(yīng)與摻燒煙煤的裝置加以區(qū)分。而造成圓球狀渣中碳含量高的主要原因就是在于氣化爐操作壓力偏低，水煤氣的流速過(guò)高會(huì)有部分碳元素不能得到反應(yīng)就會(huì)離開(kāi)氣化爐。而圓球狀渣的碳元素含量高的主要原因在于，煤漿中的灰分在反應(yīng)過(guò)后被氣化爐的爐壁捕捉到爐壁之上，一方面氣體流速過(guò)高，會(huì)阻礙碳元素的非均相反應(yīng)；另一方面，石油焦的反應(yīng)活性較差，不易進(jìn)行反應(yīng)，而被壁面捕捉后與煙煤的灰分混合形成圓球狀的渣。因此，在摻燒石油焦的氣化裝置上圓球狀渣的碳含量偏高。

特別是在德士古氣化裝置中1.5 MPa之前混合器的補(bǔ)水閥時(shí)常不打開(kāi)的，此時(shí)水煤氣流速是正常流速的2倍左右，證明氣化爐內(nèi)的流速也是比較快的，因此在氣化爐剛投料以后氣化爐的CO2含量是高的，圓球渣的數(shù)量也不是特別多，水煤氣中的CO2含量特別高，比裝置正常運(yùn)行多1%～2%。隨著氣化爐壓力的提高，不提負(fù)荷只提壓，氣化爐內(nèi)的溫度上升，CO2的含量下降，渣中圓球渣的數(shù)量增多。

2 氣體成分異常

比較使用石油焦以及煙煤的裝置發(fā)現(xiàn)，石油焦的CO含量略高于煙煤的CO含量，但是該裝置在全煤工況運(yùn)行的過(guò)程中CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本處于18%～19%，比同類(lèi)型四噴嘴裝置多2%～4%，導(dǎo)致此種現(xiàn)象發(fā)生的主要原因在于煤漿的濃度低，平時(shí)只有58%，較其他同類(lèi)型裝置要低4%～5%。

由于石油焦中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較多(達(dá)86%)，而煤中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有70%，當(dāng)摻燒石油焦以后，由于碳元素的增加，C+CO2=2CO以及C+H2O=CO+H2反應(yīng)生成更多的CO，但是中金石化氣化裝置的CO含量較其他裝置低3%左右，原本應(yīng)該多生成CO，但現(xiàn)在反而減少，其主要原因在于煤漿濃度低。雖然C與O2生成了較多的CO2，但是石油焦的反應(yīng)活性較差，同時(shí)還有大部分被水煤氣直接帶走生成CO2，氣化爐燃燒室內(nèi)的碳含量相對(duì)較少，導(dǎo)致生成CO2后又沒(méi)有足夠的碳元素與CO2反應(yīng)生成CO，并且水蒸氣分壓增加反應(yīng)速率加快，而在摻燒石油焦的過(guò)程中不能加太多氧煤比，最終導(dǎo)致水煤氣中CO2較煙煤裝置多[2-3]。

3 壁溫異常變化

在使用煙煤的氣化裝置上，煤漿和氧氣進(jìn)入氣化爐反應(yīng)后產(chǎn)生水煤氣，其中心火焰的溫度在2 150 ℃，氧氣主要在一次反應(yīng)區(qū)消耗殆盡。二次反應(yīng)主要是吸熱反應(yīng)，進(jìn)入折返流區(qū)后溫度快速下降至1 400 ℃，由于在折返流區(qū)也進(jìn)行吸熱反應(yīng)，到達(dá)拱頂溫度下降至1 280 ℃。由于爐膛內(nèi)部溫度相對(duì)較低，因此氣化爐爐壁基本處于200 ℃。同時(shí)，由于使用煙煤，反應(yīng)過(guò)后爐壁上掛渣相對(duì)較多，熱量傳導(dǎo)至耐火磚上就會(huì)下降一些。一般容易被捕捉的部位在拱頂和筒體的連接處、燒嘴處、燒嘴下部的筒體處以及渣口處。因此，在使用煙煤作為原料時(shí)爐壁溫度相對(duì)低一些。

在該氣化裝置摻燒石油焦后發(fā)現(xiàn)，壁溫比單獨(dú)使用煙煤原料時(shí)的壁溫要高。石油焦的反應(yīng)活性較煙煤差許多，想要獲得較高的碳轉(zhuǎn)換率，必須控制較高的氧煤比；而且由于石油焦的活性較差，燒嘴的霧化黑區(qū)較煙煤霧化黑區(qū)短，在靠近拱頂部分還會(huì)進(jìn)行一次反應(yīng)，而拱頂處的碳也會(huì)有部分未與氧氣反應(yīng)。因此，在摻燒石油焦的裝置上拱頂氣相溫度高達(dá)1 428 ℃，故在摻燒石油焦的過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制氧煤比。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)摻燒石油焦后出現(xiàn)的較以往裝置的異常，證明下列問(wèn)題：①在摻燒石油焦以后，渣的分布較以往會(huì)有差別，但是這也是摻燒石油焦后的正?，F(xiàn)象，仍可作為當(dāng)前爐溫是否合適的依據(jù)。②摻燒石油焦后，由于氣化爐壓力低、煤漿濃度

低、煤漿中細(xì)粒子含量較多等原因?qū)е鲁霈F(xiàn)有效氣組分低的現(xiàn)象，如果想要獲得較高的碳轉(zhuǎn)化率，還需要做大量的摸索。③摻燒石油焦后，氣化爐的壁溫會(huì)出現(xiàn)升高的現(xiàn)象，想要緩解壁溫偏高的現(xiàn)象，還應(yīng)從摻燒石油焦的比例以及煙煤的性質(zhì)多做工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 張濤，趙岐.石油焦在多噴嘴水煤漿氣化裝置中的應(yīng)用[J].中氮肥，2016(5)：50- 52.

[2] 于海龍，劉建忠.石油焦水煤漿在新型氣化爐內(nèi)氣化過(guò)程的數(shù)值計(jì)算[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，200，27(5)：820- 824.

[3] 瞿國(guó)華，王輔臣.高硫石油焦氣化制氫工藝在煉油工業(yè)中的發(fā)展前景[J].當(dāng)代石油石化，2010，18(10)：1- 6.