關(guān)于粉煤氣化爐配煤的研究

代瑋（武漢江漢化工設(shè)計有限公司，湖北 武漢430223）

由于石油價格較高，作為富煤少油的國家，以煤制氣受到了業(yè)界眾多的關(guān)注。在選擇煤氣化方法時，Shell粉煤氣化技術(shù)是第三代潔凈煤氣化技術(shù)的代表。由于Shell 法采用干粉加料并以水冷壁取代耐火磚，所以爐溫可以較Texaco 法提高100～200℃，因而對煤質(zhì)的要求相對較為寬松，氣化效率、碳效率均較高，氧耗較低，因此被業(yè)界看好。煤的品質(zhì)對氣化爐的操作是最為關(guān)鍵的一個因素，氣化爐運行大部分問題都可以從煤的根源上去尋找原因，殼牌氣化爐是粉煤氣化爐的代表，以下以殼牌爐為例，就氣化煤質(zhì)影響以及配煤問題進行探討。

1 Shell煤氣化工藝簡述及煤種基本要求

Shell 煤氣化工藝以煤粉為原料、純氧作為氣化劑，液態(tài)排渣，屬加壓氣流床氣化。原煤經(jīng)破碎碾壓至5-90μm，同時經(jīng)過熱風干燥，用氮氣送進氣化爐進行反應(yīng)。煤粉在爐內(nèi)1400-1500℃的溫度范圍內(nèi)發(fā)生化學反應(yīng)，產(chǎn)生的渣變成液態(tài)排出。從氣化爐出來的合成氣中攜帶少量灰份顆粒，在高溫高壓陶瓷過濾器中分離除去。操作時水冷壁上形成一層渣膜，可以保護氣化爐耐火襯里不受侵蝕。

Shell 煤氣化工藝原料是干煤粉，對煤種的適用范圍廣，對煤的活性幾乎沒有要求。但實際上由于我國幅員遼闊，煤種變化豐富，煤的各種性質(zhì)制約了氣化反應(yīng)的進行，在氣化過程中發(fā)生了各種現(xiàn)象，使得殼牌氣化爐最初的運行周期相當短。隨著對殼牌氣化技術(shù)的逐步掌握，我們對出現(xiàn)的各種問題進行研究和探索，逐漸發(fā)現(xiàn)了煤種性質(zhì)對氣化反應(yīng)產(chǎn)生的影響，通過對煤種性質(zhì)的掌握，來調(diào)整氣化爐的操作。

不同煤種對工況將會產(chǎn)生相應(yīng)的影響，如白煤的可磨性指數(shù)低，造成磨煤機振動大；無煙煤灰熔點高，造成爐內(nèi)結(jié)渣；煤中鈉、鉀含量高，造成換熱器積灰等現(xiàn)象；通過深入研究煤的性質(zhì)對氣化爐操作的干擾，來采取相應(yīng)的措施以不斷優(yōu)化工況。以下分別針對一些影響氣化爐工況的煤種性質(zhì)進行了分析和總結(jié)，同時對配煤的優(yōu)點和可操作性進行了闡述。

2 煤的碳含量對氣化反應(yīng)的影響

煤的主要成分是C、H、O、N、S，碳含量直接影響煤的熱值，盡管殼牌氣化爐對煤的熱值沒有特殊的要求，但是較低的碳含量意味著煤中的灰分高，通常需要消耗更多的熱量來加熱灰分，使灰分保持液態(tài)，來穩(wěn)定工況的運行。反之，如果碳含量過高，意味著能夠成渣的灰分含量過低，可能導致沒有足夠的液態(tài)渣來覆蓋氣化爐的水冷壁，而殼牌爐的核心特點之一就是要通過“以渣抗渣”來保護關(guān)鍵設(shè)備氣化爐，提高其運行壽命，而液態(tài)渣即是灰分的產(chǎn)物。

3 煤的揮發(fā)分對氣化反應(yīng)的影響

一般較老的煤揮發(fā)分較低，而年輕的煤揮發(fā)分含量較高。揮發(fā)分的高低一定程度上反應(yīng)了煤的活性。在氣化爐的高溫作用下，煤的揮發(fā)分在入爐的瞬間就完成了揮發(fā)分的熱解和燃燒，如果揮發(fā)分過高，雖然煤的活性升高，反應(yīng)變快，但是從氣化的角度上來說，煤的揮發(fā)分在爐內(nèi)快速熱解，而氣化爐內(nèi)氣體的停留時間短，熱解的氣體可能來不及進行氣化反應(yīng)就直接進入后系統(tǒng)，對氣化反應(yīng)以及氣體產(chǎn)品質(zhì)量的控制會受到影響。反之，揮發(fā)分過低，則有可能煤的活性較差，在爐內(nèi)有限的反應(yīng)時間里，轉(zhuǎn)化率受到影響，使得爐渣和飛灰中碳含量升高，碳的轉(zhuǎn)化率下降。

4 煤種灰分對殼牌爐操作的影響

受供煤影響，一些廠家會采購到劣質(zhì)煤，通常來說，這意味著煤中平均灰份增加，灰份的變化更加劇烈，使得配煤的操作窗口變小,影響殼牌裝置的穩(wěn)定運行，使得運行周期變短，氣化爐的可靠性變差。煤種的變化影響氣化爐掛渣的控制。根據(jù)對煤種的分析，煤中元素SiO2/Al3O2＞1.8，煤渣粘度在2.0-25Pa.s間，煤的操作彈性空間最大，有利于氣化爐內(nèi)掛渣。殼牌公司曾經(jīng)針對煤種成分對渣流動性的影響做過研究分析，通過試驗發(fā)現(xiàn)煤中的SiO2/Al3O2比對熔渣的性質(zhì)影響比較明顯，當煤種的SiO2/Al3O2大于1.8時，氣化爐溫度的操作空間逐漸變大，氣化爐的操作彈性可以從100 度達到300 度，也就是說煤中硅鋁比至少要大于1.8，這樣使得氣化爐的操作彈性變大，渣的粘度可以控制的恰到好處，有利于氣化爐內(nèi)掛渣。針對灰分的影響，會考慮采用以下的操作方法：

（1）降低煤種變換的頻率。

（2）增加對原煤和燒嘴進煤的采樣分析次數(shù)，確定入爐煤種灰份含量和灰熔點。

（3）根據(jù)灰熔點來調(diào)整需要的助熔劑量或者配煤比例。

（4）如氣化爐操作窗口變窄，則需密切關(guān)注以下幾點，以輔助判斷氣化爐內(nèi)溫度情況，防止爐內(nèi)溫度過高或過低。

1）渣的外形（針狀，大渣塊，或者過多細渣）；

2）渣池循環(huán)水密度（細渣是否過多）；

3）渣池兩端的差壓（判斷渣口是否堵渣）；

4）合成氣冷卻器進出口差壓和合成氣冷卻器環(huán)隙密封板兩端的差壓（判斷合成氣冷卻器入口是否堵塞）；

5）合成氣冷卻器入口溫度和出口溫度；

6）氣化爐蒸汽產(chǎn)量（這個值應(yīng)盡可能保持穩(wěn)定來保證氣化爐內(nèi)渣層的穩(wěn)定。煤中灰份的大幅度波動也會影響渣層的厚度）；

7）緩慢調(diào)整生產(chǎn)負荷，來保證氣化爐內(nèi)渣層的穩(wěn)定；

8）石灰石的添加量。在需要添加石灰石的情況下,灰份的波動會影響助熔劑（石灰石）的添加量。同樣，灰份的波動和助熔劑添加量也會影響渣層的厚度，在灰份波動時添加助熔劑很容易造成添加過量或是不足。

5 氣化爐配煤的探討

每年冬季，尤其是在春節(jié)前后，煤的供應(yīng)和價格都會受到很大的影響；因此不可避免的導致使用的煤種會不斷變化，由于煤的供應(yīng)不足或者價格增長，有些時候可能被迫使用品質(zhì)不好的煤。通常來說，這意味著煤中平均灰份增加，灰份的變化更加劇烈，煤/配煤的操作窗口變小,這些都將導致非常窄的操作窗口，影響裝置的穩(wěn)定運行能力，因為通常需要花費更多的注意力來保證氣化爐在操作窗口內(nèi)運行。如何盡量減小因煤種的變化而導致生產(chǎn)工藝各個環(huán)節(jié)的負面影響，是需要不斷探索的道路。盡管我們通過優(yōu)化工藝指標、提升操作水平、加強上下游合作來改善了煤種變化的影響，但核心手段還是要從煤這個源頭來控制才能達到更優(yōu)的效果。由于煤的性質(zhì)差異較大，我們對不同的煤種性質(zhì)進行了分析，包括元素分析、工業(yè)分析、灰分成分分析等，采取了將不同煤種進行比例配合來進行試驗操作，以探索如何來降低單一煤種的局限性影響。

通過配煤試驗，我們發(fā)現(xiàn)將兩種不同性質(zhì)的煤種按照一定比例配合后，可以降低某一種煤種性質(zhì)波動的影響，盡量使其維持在工況需要的范圍內(nèi)，對氣化爐的穩(wěn)定操作起到了積極的作用，并且可以隨時調(diào)整比例以適應(yīng)單一煤種變化的影響。除此之外，隨著氣化爐運行的逐步穩(wěn)定，對于廠家來說，需要的不僅是單純的提高運行周期，還需要研究如何提高入爐煤的產(chǎn)氣量。為了提高殼牌爐的運行效益，對入爐煤種進行混配，通過摸索找出合適的配比，提高噸煤產(chǎn)氣量，可通過調(diào)整配煤來實現(xiàn)。通過配煤后，不僅可以將不同性質(zhì)的煤種進行混配，提高氣化爐的運行效率和經(jīng)濟效益，也有助于避免單一灰分含量低的煤影響爐膛不掛渣，防止單一灰分含量高的煤影響合成氣冷卻器積灰情況的發(fā)生。配煤的可行性及發(fā)展前景在行業(yè)值得進一步挖掘和探討。但是需要注意的是，在配煤的過程中，要防止灰熔點差別大的煤進行混配，因為在爐溫的控制上，會形成高灰熔點煤難熔而低灰熔點煤粘度太低的尷尬局面，對爐膛的掛渣不利。

6 結(jié)語

總而言之，要保持氣化爐的穩(wěn)定運行，控制好煤種是關(guān)鍵，因為氣化爐操作大部分問題主要還是由煤種的變化導致的，如積灰、堵渣等。無論是預見性的掌握煤種的性質(zhì)還是通過配煤來優(yōu)化工況，都要在平穩(wěn)的狀態(tài)下過渡，避免煤種波動頻繁，入爐的煤種控制好了，整個裝置的運行狀態(tài)平穩(wěn)，系統(tǒng)達到平衡，運行周期也一定會得到不斷提高。