廣東某煉化廠E-Gas氣化爐結(jié)焦原因分析與處理

王光澤，李 媛，王 凱

(神華銷售集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510610)

廣東某2 200萬t/a煉化廠為國家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目[1]。該裝置技術(shù)新、起點(diǎn)高，采用三套E-Gas氣化爐為乙烯中心提供H2和CO[2]。本文就該煉化廠E-Gas氣化爐投運(yùn)以來原料煤結(jié)焦的問題進(jìn)行探討。

1 E-Gas煤氣化技術(shù)概述

該煉化廠E-Gas煤氣化系統(tǒng)由水煤漿制備、水煤漿儲存及輸送、氣化、排渣和渣處理、合成氣洗滌、干法除灰、余熱回收、渣水循環(huán)等部分組成[3]。該氣化爐單爐投煤量為1 800 t/d(86%的負(fù)荷)，生產(chǎn)氫氣86 000～88 000 m3/h，配套2×72 000 m3/h空分裝置。氣化爐是E-Gas煤氣化技術(shù)的核心設(shè)備，內(nèi)剖面為類十字型結(jié)構(gòu)，位于下部的水平方向?yàn)闅饣癄t一段、垂直方向?yàn)闅饣癄t二段[4]。

預(yù)熱后的水煤漿與氧氣通過水平的氣化爐一段兩端的混合燒嘴噴入爐內(nèi)，兩個(gè)對向布置的燒嘴噴入爐內(nèi)物料進(jìn)行充分碰撞、混合、燃燒和氣化[5]。氣化爐一段內(nèi)運(yùn)行溫度一般在1 300～1 450 ℃，反應(yīng)速度非?？?，可迅速達(dá)到平衡，運(yùn)行溫度高于原料煤種的灰熔點(diǎn)，礦物質(zhì)軟化后形成熔渣，熔渣經(jīng)水激冷和排渣系統(tǒng)從氣化爐排出[6]，一段合成氣進(jìn)入氣化爐二段。一段合成氣摩爾分?jǐn)?shù)為CO 45.4%、CO224.2%、H229.3%、CH40.2%、其他1%。

垂直的氣化爐二段中，由二段噴嘴噴入的水煤漿與一段高溫合成氣發(fā)生反應(yīng)，水分瞬間蒸發(fā)，煤發(fā)生氣化反應(yīng)和熱裂解反應(yīng)[7]，生成炭和煤氣，炭與水和CO2繼續(xù)反應(yīng)生成CO和H2，使合成氣中氫的組分提高[8]，二段合成氣摩爾分?jǐn)?shù)為CO 46.6%、CO218.9%、H229.7%、CH43.1%、其他1.7%。氣化爐二段利用一段高溫合成氣的熱量來支持其吸熱反應(yīng)[9]，并將合成氣的溫度降至1 000 ℃左右。

2 氣化爐結(jié)焦問題

該氣化系統(tǒng)投產(chǎn)以來，氣化爐內(nèi)多次結(jié)焦，特別是二段結(jié)焦嚴(yán)重，造成裝置多次檢修、無法長周期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。為保證生產(chǎn)連續(xù)性，煉化廠只能采取三套裝置輪流生產(chǎn)，輪流停機(jī)清焦的運(yùn)行模式。但停機(jī)清焦難度大，存在較大安全隱患，清焦平均耗時(shí)20 d左右，個(gè)別甚至長達(dá)50 d。長時(shí)間停機(jī)清焦增加了安全風(fēng)險(xiǎn)和人力成本，管理成本隨之上升，并且隨著煉化廠產(chǎn)能逐步釋放，三套裝置輪流生產(chǎn)、輪流停機(jī)清焦的模式已無法滿足生產(chǎn)需要。

2019年1月該煉化廠氣化裝置根據(jù)生產(chǎn)需要重新運(yùn)行后，3號氣化爐二段溫度穩(wěn)定在1 000 ℃左右，但十幾天后二段溫度逐漸降低，爐內(nèi)結(jié)焦嚴(yán)重，氣化爐廢鍋結(jié)渣堵死(結(jié)焦?fàn)顩r如圖1所示)；1號氣化爐二段溫度控制在985 ℃左右，但運(yùn)行一段時(shí)間后1號氣化爐一二段壓差上升，爐內(nèi)結(jié)焦嚴(yán)重，不得已停機(jī)檢修，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。

2.1 原料煤煤質(zhì)分析

因投產(chǎn)以來氣化爐結(jié)焦問題一直存在，加上結(jié)焦停機(jī)事故嚴(yán)重影響生產(chǎn)安全，為一勞永逸解決鍋爐結(jié)焦問題，決定改善煤質(zhì)。該煉化廠一直使用特低灰煤作為制漿原料煤，煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表1。

圖1 3號氣化爐結(jié)焦?fàn)顩r照片

表1 該煉化廠2017年11月至2019年5月原料煤煤質(zhì)指標(biāo)

從表2可以看出，特低灰煤有如下特點(diǎn)：灰分較低，收到基灰分5%～7%，煤粒在氣化爐中充分燃燒后礦物質(zhì)較少，因此產(chǎn)生的飛灰和熔渣均較少，利于排渣和干式除灰；灰熔點(diǎn)較低，原料煤灰熔點(diǎn)軟化溫度介于1 120～1 180 ℃；低硫、高水、高發(fā)熱量，反應(yīng)活性較強(qiáng)，污染物排放量少[10]。

2.2 結(jié)焦原因分析

據(jù)停機(jī)清焦時(shí)觀察，氣化爐二段噴嘴入口處結(jié)焦和氣化爐一段底部熔渣堆積較為嚴(yán)重。

二段噴嘴周圍結(jié)焦原因主要為二段水煤漿噴入爐內(nèi)遇到一段高溫高速合成氣，水分瞬間蒸發(fā)，煤?？焖俜磻?yīng)，剩余礦物質(zhì)熔化；高溫熔融的灰渣，在氣流作用下遇到爐內(nèi)耐火磚后發(fā)生粘連結(jié)焦，焦塊逐步長大[11]，導(dǎo)致一二段壓差升高，氣化爐廢鍋結(jié)渣堵死。

氣化爐一段底部熔渣較多的原因主要是由于一段采用臥式布置，兩端噴嘴射流形成的燃燒火炬[12]，燃燒產(chǎn)生的熔融灰渣在重力作用下容易在下部爐壁沉積。

2.3 改進(jìn)配煤方案

綜合分析得知，原料煤灰熔點(diǎn)較低是二段噴嘴結(jié)焦主要原因。因此調(diào)整制漿煤質(zhì)，采用石炭煤與低灰分煤配煤，提升制漿原料煤的灰熔點(diǎn)[13]。用于配煤的兩種石炭煤煤質(zhì)指標(biāo)見表2。石炭煤1號與石炭煤2號分別與特低灰煤以8∶2和7∶3的比例配煤，形成4套配煤方案見(表3)。

表2 用于配煤的兩種石炭煤煤質(zhì)指標(biāo)

從表2可見，兩種石炭煤灰熔點(diǎn)FT均大于1 400 ℃，收到基灰分較特低灰煤高10%～15%，硫分較高，揮發(fā)分相較特低灰煤略低。

表3 配煤方案

各套方案配煤的煤質(zhì)化驗(yàn)數(shù)據(jù)及成漿性見表4，其元素分析結(jié)果列于表5，其灰組成分析結(jié)果見表6。

對煤質(zhì)指標(biāo)、灰成分和成漿性進(jìn)行綜合分析，并結(jié)合其貨源穩(wěn)定性，認(rèn)為方案1較方案2配煤均勻性更好，方案1較方案3熱值高，方案1較方案4煤炭采購成本低，認(rèn)為選擇方案1對裝置穩(wěn)定生產(chǎn)更有利。

按方案1配煤投入生產(chǎn)后，一段溫度穩(wěn)定在1 400 ℃左右，二段溫度穩(wěn)定在1 024 ℃左右，二段結(jié)焦問題明顯改善，一二段壓差可穩(wěn)定運(yùn)行，但原料煤灰分上升，灰渣量升高，裝置產(chǎn)氣量下降[14]。

表4 各套方案配煤煤質(zhì)指標(biāo)及成漿性

表5 各套方案配煤的元素分析 %

2.4 優(yōu)化入料方案

特低灰煤∶石灰煤1號摻和比7∶3配煤方案(簡稱7∶3配煤方案)較純燒特低灰煤最大的特點(diǎn)是提高了原料煤灰熔點(diǎn)，解決了結(jié)焦問題，但是卻降低了燃料熱值，原料煤反應(yīng)活性也下降了，存在不利影響[15]。為了充分發(fā)揮特低灰煤和7∶3配煤方案各自的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步提出優(yōu)化入料方案，如圖2所示。氣化爐一段采用優(yōu)質(zhì)特低灰煤所制水煤漿入料，氣化爐二段采用特低灰煤與石炭煤7∶3配煤制漿入料。

表6 各套方案配煤的灰化學(xué)組成分析結(jié)果 %

圖2 氣化爐一二段分別入料示意

約80%的優(yōu)質(zhì)特低灰煤料漿從一段噴嘴與氧氣混合進(jìn)入氣化爐，有利于產(chǎn)生更高的爐溫，煤粒在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的氣化床層中反應(yīng)更徹底[16]，保證了氣化爐整體反應(yīng)效率；約20%的高灰熔點(diǎn)7∶3配煤料漿從二段噴嘴進(jìn)入氣化爐，緩解和改善了二段入料口結(jié)焦問題，煤氣組成也未發(fā)生明顯變化，裝置得以長周期運(yùn)轉(zhuǎn)，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)[17]。

3 結(jié) 論

(1)E-Gas氣化爐二段噴嘴口周圍結(jié)焦嚴(yán)重是引起一二段壓差升高，影響裝置穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn)的直接原因，結(jié)焦原因主要是二段入料煤漿灰熔點(diǎn)較低。

(2)氣化爐二段采用高灰熔點(diǎn)7∶3配煤料漿噴入，高灰熔點(diǎn)煤粒遇高溫煤氣快速反應(yīng)后，溫度降至煤炭灰熔點(diǎn)以下，二段灰渣呈現(xiàn)固態(tài)存在，減少了二段結(jié)焦。二段煤漿入料灰熔點(diǎn)(1325±75)℃較為適宜。

(3)摻配石炭煤提高灰熔點(diǎn)的同時(shí)，提高了原料煤灰分，降低了煤炭反應(yīng)活性，灰渣產(chǎn)量增加，產(chǎn)氣量減少，裝置經(jīng)濟(jì)性下滑，基于氣化爐設(shè)計(jì)和生產(chǎn)實(shí)踐，二段高灰熔點(diǎn)7∶3配煤灰分不宜超過15%。

(4)E-Gas氣化爐可優(yōu)化入料方案，氣化爐一段采用低灰熔點(diǎn)煤漿，氣化爐二段采用高灰熔點(diǎn)原料煤漿，不僅改善了二段結(jié)焦問題，而且保障了氣化爐整體效率，煤氣組成也未發(fā)生明顯變化，降低了頻繁停機(jī)清焦導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失和安全管理成本，裝置安全性和經(jīng)濟(jì)性均有所提高。