基于一種頂噴式干煤粉氣化爐有效氣含量影響因素的探究

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(神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司煤制油分公司氣化廠，寧夏 銀川 750411)

煤氣化技術(shù)是支撐煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)之一，煤化工生產(chǎn)與煤氣化技術(shù)的可靠、成熟、穩(wěn)定和長(zhǎng)周期運(yùn)行狀態(tài)有密切的關(guān)聯(lián)[1-3]。目前，燒嘴頂置、下行激冷的粉煤加壓氣化技術(shù)得到越來越廣泛地應(yīng)用，頂噴粉煤加壓氣化爐的特點(diǎn)是氣化工藝流程合理且相對(duì)簡(jiǎn)單、投資較低，在煤制甲醇、煤制烯烴以及煤制油裝置上可以得到很好地應(yīng)用，也是今后氣化工藝發(fā)展的主流方向[4]。

有效氣含量包括頂噴式干煤粉氣化爐在內(nèi)的煤氣化重要的運(yùn)行指標(biāo)和性能指標(biāo)，有效氣含量的高低在一定程度上也反應(yīng)了該頂噴式干煤粉氣化爐的先進(jìn)性。氣化爐的尺寸和燒嘴氧氣旋流角度是影響有效氣含量的主要因素，但這些因素在氣化裝置建成運(yùn)行后已很難改變，在氣化爐的尺寸和燒嘴氧氣旋流角度不變的情況下，考慮調(diào)整氧煤比、入爐蒸汽、煤粉載氣、環(huán)隙吹掃氣、點(diǎn)火燒嘴燃料氣等參數(shù)來提高有效氣含量，探究最佳的操作條件，以期為同類煤氣化操作條件的優(yōu)化提供參考。

1 粉煤氣化工藝

1.1 工藝流程

頂噴式干煤粉氣化裝置由組合燒嘴(點(diǎn)火燒嘴和主燒嘴)、氣化爐系統(tǒng)、煤粉輸送系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)、合成氣洗滌系統(tǒng)、黑水閃蒸系統(tǒng)、黑水處理系統(tǒng)以及公用系統(tǒng)等構(gòu)成。氣化裝置的主要任務(wù)是以干煤粉為原料，氧氣、水蒸氣為氣化劑，生產(chǎn)以CO+H2為主的合成氣。其主要工藝流程是低壓煤粉倉內(nèi)的煤粉經(jīng)過兩個(gè)交替循環(huán)的煤鎖斗進(jìn)入煤粉給料罐，給料罐內(nèi)煤粉通過4根煤粉管線后，經(jīng)主燒嘴進(jìn)入氣化爐燃燒室，在燃燒室的高溫火焰下進(jìn)行氧化反應(yīng)。由于使煤粉完全氧化(燃燒)的氧氣量遠(yuǎn)大于氣化反應(yīng)所需用量，因此，煤粉在反應(yīng)室中進(jìn)行部分氧化反應(yīng)產(chǎn)生了富含H2和CO的熱合成氣。氣化出來的熱合成氣和液態(tài)渣，通過下渣口經(jīng)下降管離開氣化爐燃燒室進(jìn)入氣化爐激冷室。出下降管的熱合成氣和熔渣與激冷水混合，熔渣迅速固化，大部分粗渣進(jìn)入激冷室下部的水浴中，小部分細(xì)灰隨合成氣進(jìn)入下游合成氣洗滌系統(tǒng)，經(jīng)過洗滌處理的合成氣最后送入下游變換裝置，氣化爐激冷室的黑水被送至黑水閃蒸系統(tǒng)，黑水經(jīng)過三級(jí)閃蒸系統(tǒng)脫除酸氣并回收部分熱量。經(jīng)過閃蒸后的黑水與來自撈渣機(jī)的渣水、來自真空帶式過濾機(jī)的濾液一起被送至黑水處理系統(tǒng)，在沉降槽中將黑水中的固體進(jìn)行分離后，大部分澄清水作為系統(tǒng)的回用水，一小部分灰水作為廢水送至污水處理單元進(jìn)行進(jìn)一步處理[5]。工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程

1.2 采用的煤質(zhì)數(shù)據(jù)

頂噴式干煤粉氣化技術(shù)研究采用的煤粉元素分析(干基)見表1，其中，干基低位發(fā)熱量25.0 MJ/kg，灰熔點(diǎn)為1 220℃，單臺(tái)氣化爐的運(yùn)行負(fù)荷按100%，下述粉煤氣化影響因素分析均基于此煤種。

表1 煤粉元素分析(干基)

2 粉煤氣化影響因素分析

2.1 氧煤比

氧煤比是實(shí)際運(yùn)行時(shí)的氧氣流量與此時(shí)煤粉流量發(fā)生完全燃燒所需的氧氣流量的比值，在一定程度上反映的是煤粉的氧化程度，通常氧煤比控制在0.38～0.43之間。氧煤比對(duì)有效氣含量的影響見圖2。通過圖2發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧煤比高時(shí)，煤粉氧化程度高，爐溫升高，產(chǎn)生的合成氣中二氧化碳量增大，一氧化碳和甲烷含量降低；當(dāng)氧煤比低時(shí)，煤粉氧化程度低，爐溫降低，產(chǎn)生的合成氣中二氧化碳量降低，一氧化碳和甲烷含量增大。爐溫太高，合成氣中的有效氣比例低，且易損壞氣化爐水冷壁和下降管；爐溫太低，雖然合成氣中的有效氣比例高，但合成氣溫度低和甲烷含量高，不利于變換反應(yīng)。因此，煤氣化反應(yīng)需選擇較適宜的氧煤比?，F(xiàn)通過實(shí)際運(yùn)行中對(duì)氣化氧煤比的調(diào)節(jié)，得到最佳的氧煤比為0.40～0.42，此時(shí)的有效氣含量最高。

圖2 氧煤比對(duì)有效氣含量的影響

圖3 蒸汽對(duì)有效氣含量和合成氣溫度的影響

2.2 入爐蒸汽

馬銀劍等[6]研究發(fā)現(xiàn)，蒸汽煤比對(duì)氣化反應(yīng)溫度影響較小，可使H2摩爾分?jǐn)?shù)增加，氣化反應(yīng)火焰延長(zhǎng)，氣化適宜的蒸汽煤比應(yīng)控制在0.035～0.045之間。蒸汽對(duì)有效氣含量和合成氣溫度的影響見圖3。通過圖3可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際運(yùn)行中通過向氣化爐內(nèi)加入一定量的次高壓蒸汽，對(duì)氣化爐的溫度和合成氣量影響甚微，但能很好地延長(zhǎng)氣化爐反應(yīng)中的火焰長(zhǎng)度，避免水冷壁上部溫度過高，降低水冷壁系統(tǒng)熱損，保護(hù)水冷壁不被燒損。

2.3 煤粉載氣

在氣化爐開車時(shí)，為了保證煤粉的良好輸送性，一般采用高壓氮?dú)庾鰹槊悍鄣妮d氣，此時(shí)合成氣中的氮?dú)夂扛?、有效氣含量低[7]。為了提高有效氣的含量，在開車成功后及時(shí)將煤粉單元的載氣切換至高壓二氧化碳，不同載氣下的合成氣組分見表2。

表2 不同載氣下的合成氣組分

從表2中可以看出，煤粉的載氣在由高壓氮?dú)馇袚Q為高壓二氧化碳后，合成氣中的氮?dú)夂拷档土?.96%，有效氣含量提高了3.77%。

2.4 環(huán)隙吹掃氣

環(huán)隙吹掃氣經(jīng)氣化爐燃燒室環(huán)形空間與氣化爐頂部的呼吸口進(jìn)入氣化爐，防止燃燒室內(nèi)高溫氣體反竄，并使運(yùn)行時(shí)的水冷壁內(nèi)外承受較小的壓差，環(huán)隙吹掃氣包括環(huán)形空間底部吹掃氣和燒嘴支撐吹掃氣，其流量總共為70m3/h。在氣化爐開車前環(huán)隙吹掃氣采用高壓氮?dú)?，在開車成功后環(huán)隙吹掃氣切換為高壓二氧化碳，不同環(huán)隙吹掃氣下的合成氣組分見表3。

表3 不同環(huán)隙吹掃氣下的合成氣組分

從表3中可以看出，氣化爐環(huán)隙吹掃氣在由高壓氮?dú)馇袚Q為高壓二氧化碳后，合成氣中的氮?dú)夂拷档土?.85%，有效氣含量提高了2.56%。因此，氣化爐開車成功后，及時(shí)將環(huán)隙吹掃氣切換為高壓二氧化碳，以提高合成氣中的有效氣含量。

2.5 點(diǎn)火燒嘴燃料氣

氣化爐主燒嘴未運(yùn)行前，點(diǎn)火燒嘴燃料氣采用的是液化石油氣，流量為550Nm3/h，此液化石油氣來自LPG制備裝置，其中的氮?dú)夂扛哌_(dá)70%，從而增加了合成氣中的氮?dú)夂俊Ｒ虼?，在氣化爐主燒嘴運(yùn)行后，需將點(diǎn)火燒嘴燃料氣切換為凈化裝置送來的、氮?dú)夂吭?0%～26%的高壓燃料氣，不同燃料氣下的合成氣組分見表4。

表4 不同燃料氣下的合成氣組分

從表4中可以看出，氣化爐主燒嘴運(yùn)行后，點(diǎn)火燒嘴燃料氣在由液化石油氣切換為高壓凈化氣后，合成氣中的氮?dú)夂拷档土?.31%，有效氣含量提高了0.59%。因此，氣化爐開車成功后，應(yīng)及時(shí)將點(diǎn)火燒嘴燃料氣由液化石油氣切換為高壓凈化氣，以提高合成氣中的有效氣含量。

3 結(jié)語

(1)氣化反應(yīng)的氧煤比直接反映了煤粉的氧化程度，對(duì)合成氣中的有效氣含量有直接的影響，該氣化技術(shù)的適宜氧煤比應(yīng)控制在0.40～0.42之間。

(2)在實(shí)際運(yùn)行中,入爐蒸汽對(duì)合成氣中的有效氣含量影響不甚明顯，但能延長(zhǎng)反應(yīng)的火焰，降低水冷壁系統(tǒng)熱損，保護(hù)水冷壁不被燒損。

(3)煤粉載氣對(duì)合成氣中的有效氣含量影響十分明顯，當(dāng)煤粉載氣由高壓氮?dú)馇袚Q為高壓二氧化碳時(shí)，有效氣含量能提高3.77%，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

(4)氣化爐環(huán)隙吹掃氣對(duì)合成氣中的有效氣含量影響也十分明顯，當(dāng)環(huán)隙吹掃氣由高壓氮?dú)馇袚Q為高壓二氧化碳時(shí)，有效氣含量能提高2.56%，同樣提高了經(jīng)濟(jì)效益。若是將環(huán)隙吹掃氣更換為高壓燃料氣，理論上，有效氣含量至少能再提高2%左右，可以作為下一步的改造方向。

(5)氣化爐點(diǎn)火燒嘴燃料氣對(duì)合成氣中的有效氣含量有一定的影響，當(dāng)燃料氣由液位石油氣切換為高壓燃料氣時(shí)，降低了有效氣中的氮?dú)夂?，同時(shí)有效氣含量提高了0.59%。

[1]賀百廷.煤氣化技術(shù)的進(jìn)展與選擇分析[J].煤化工，2013，41(2)：8-11.

[2]汪壽建.國內(nèi)外新型煤化工及煤氣化技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)分析[J].化肥設(shè)計(jì)，2011，49(1)：1-5.

[3]王國梁.神寧爐和GSP煤氣化技術(shù)對(duì)比[J].現(xiàn)代化工，2017，37(11)：154-157.

[4]郭偉，匡建平，張世程，岑可法.頂噴粉煤氣化爐流場(chǎng)特性模擬分析及應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，44(5)：188-195.

[5]王國梁，張鎵鑠，陳鵬程，李紅娣.淺析神寧爐合成氣洗滌系統(tǒng)優(yōu)化過程[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017(1)：39-40.

[6]馬銀劍，李剛健，井云環(huán)，代正華.首套GSP干煤粉氣化的模擬與分析[J].化學(xué)工程，2013，41(2)：69-73.

[7]劉金昌，張玉柱，黨鉀濤，曹俊雅，解強(qiáng).CO2作煤粉輸送載氣對(duì)GSP氣化過程影響的模擬研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，43(5)：905-909.