U-Gas氣化爐飛灰返爐方案探討

董文博

(河南省煤氣(集團(tuán))有限公司 技術(shù)中心，河南 鄭州 450000)

煤氣化技術(shù)是當(dāng)今煤炭潔凈、高效利用的主要方式之一，是現(xiàn)代煤化工裝置中的重要環(huán)節(jié)，涉及煤化工裝置的正常運(yùn)行。U-Gas流化床氣化技術(shù)是美國芝加哥煤氣工業(yè)研究院(IGT)在20世紀(jì)70年代開發(fā)研制的煤氣化技術(shù)[1-2]。U-Gas 氣化技術(shù)具有煤種適應(yīng)性廣、可利用劣質(zhì)煤、操作溫度低、氣化強(qiáng)度大、產(chǎn)品煤氣中不含焦油及酚類等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前比較先進(jìn)的煤炭氣化技術(shù)，但該工藝過程會(huì)產(chǎn)生大量碳含量較高的細(xì)粒飛灰，影響氣化爐的碳轉(zhuǎn)化率。因此，氣化飛灰能否合理利用，便成為制約U-Gas氣化工藝發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

1 氣化飛灰產(chǎn)生原因及返爐意義

U-Gas氣化技術(shù)將煤粉在加壓條件下進(jìn)行氣化，原料煤入爐后在高溫環(huán)境下受熱，煤中水分迅速溢出，使原料煤碎裂，生成細(xì)粉，同時(shí)爐內(nèi)物料間的相互碰撞和摩擦又會(huì)產(chǎn)生細(xì)粉，尤其是熱穩(wěn)定性較差的煤，產(chǎn)生的細(xì)粉量會(huì)更大，再加上為保持爐內(nèi)物料流化狀態(tài)的高氣速，使大量細(xì)粉顆粒來不及參與反應(yīng)而被氣流從氣化爐頂部帶出，從而產(chǎn)生大量的飛灰。

河南某化工廠采用U-Gas氣化技術(shù)，氣化爐所產(chǎn)生的飛灰量占原料的10%左右，該廠所用原料煤的工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)如表1所示。而其氣化過程所產(chǎn)生的飛灰工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)如表2所示。由飛灰的工業(yè)分析數(shù)據(jù)可知，飛灰的固定碳含量高達(dá)44.61%，具有很高的利用價(jià)值，如果簡單的作為固體廢物處理，是極不經(jīng)濟(jì)的。飛灰的妥善處理，不僅是環(huán)境保護(hù)的需求，從提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、降低生產(chǎn)成本方面考慮，將飛灰返爐再利用也是很有必要的。

表1 原料煤的工業(yè)分析及元素分析 %

表2 飛灰的工業(yè)分析及元素分析 %

2 氣化飛灰返爐位置分析

以下采用將氣化飛灰分別從加煤口、中心管和分布板三個(gè)不同位置返爐進(jìn)行綜合分析和對(duì)比，從而選出最為合適的方案。

2.1 從加煤口返飛灰進(jìn)爐

在加煤管道上開口，配接三通與返飛灰管道相連接，在原料煤從加煤管道進(jìn)入氣化爐時(shí)，飛灰由氣力輸送裝置與原料煤一并送入爐內(nèi)。由加煤口返飛灰，在實(shí)際操作中會(huì)存在一些問題，因?yàn)閁-Gas氣化爐采用多條管線接替進(jìn)料的方式加煤，如在所有加煤管線均配接返飛灰管道，則勢(shì)必隨著加煤管線的切換，頻繁地調(diào)整返粉路線，會(huì)給工藝操作帶來較多的不確定因素。而若只由一條加煤管線返飛灰，因?yàn)榉碉w灰時(shí)和不返飛灰時(shí)的爐內(nèi)反應(yīng)狀態(tài)不一樣，隨著加煤管線的不斷切換，氣化爐也會(huì)相應(yīng)頻繁地調(diào)整操作參數(shù)，這樣就會(huì)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 從中心管返飛灰進(jìn)爐

在氣化爐底部中心管處配接飛灰返爐管道，飛灰與氣化劑一并進(jìn)入氣化爐內(nèi)。該方案的缺點(diǎn)：①因?yàn)轱w灰粒度較細(xì)(平均粒徑30 μm左右)，而U-Gas氣化爐為了保持爐內(nèi)物料較好地流化狀態(tài)，從中心管噴入氣化爐內(nèi)的氣化劑會(huì)保持較高的氣速，所以在飛灰隨著氣化劑入爐的同時(shí)，易被高速向上氣流迅速帶出氣化爐，沒有足夠的爐內(nèi)停留時(shí)間來參與反應(yīng)；②飛灰吹送氣與入爐氣化劑一并由氣化爐底部進(jìn)入，會(huì)相對(duì)加大氣化爐垂直方向的氣速，造成帶出物過多，影響后續(xù)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 從分布板返飛灰進(jìn)爐

在分布板上開口，飛灰由此處噴入氣化爐內(nèi)。由此處將飛灰噴入氣化爐的優(yōu)點(diǎn)：①飛灰及吹送氣由單獨(dú)的入口進(jìn)入氣化爐內(nèi)，不會(huì)對(duì)爐內(nèi)物料的流化效果造成影響。②通過合理控制氣化爐返飛灰系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)飛灰連續(xù)返爐，維持氣化爐內(nèi)物料床層，穩(wěn)定加煤系統(tǒng)操作，進(jìn)而穩(wěn)定氣化爐工況，最大限度地減少原料煤的消耗。③飛灰可由返飛灰裝置直接噴入氣化爐內(nèi)高溫區(qū)域，能夠及時(shí)參與反應(yīng)，大大提高飛灰的碳轉(zhuǎn)化率。

3 結(jié)語

通過對(duì)各種飛灰返爐方案進(jìn)行綜合對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，由分布板開口，將飛灰通過氣力輸送裝置直接送入氣化爐內(nèi)高溫區(qū)域的方案，是操作工況最穩(wěn)定、碳轉(zhuǎn)化率最高、經(jīng)濟(jì)效益最好的。由分布板開口處將飛灰返爐有以下幾點(diǎn)需要注意：①返飛灰口位置應(yīng)在分布板底部100～300 mm，若開口位置過高，飛灰會(huì)隨著氣流帶出氣化爐，飛灰在爐內(nèi)的停留時(shí)間過短，反應(yīng)不完全，而若開口位置過低，則飛灰不能噴入爐內(nèi)高溫區(qū)域，亦會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)不完全，影響碳轉(zhuǎn)化率；②返灰口氣速應(yīng)控制在8～10 m/s，若氣速過低，飛灰在返飛灰口聚集，容易造成結(jié)渣，而若氣速過高，則會(huì)影響飛灰在爐內(nèi)的停留時(shí)間，甚至破壞爐內(nèi)物料的流化狀態(tài)。