粉煤氣化爐在3.0 MPa下投煤的可行性應(yīng)用

李吉輝，徐勝?gòu)?qiáng)

(明泉集團(tuán)股份有限公司， 濟(jì)南 250200)

作為第2代粉煤氣化工藝之一，原煤磨制成粒度在200 μm以下進(jìn)入氣化爐內(nèi)，與純氧、水蒸氣在4.0 MPa的壓力下發(fā)生欠氧燃燒，從而將固態(tài)的煤炭轉(zhuǎn)變成氣態(tài)的以氫氣/一氧化碳為主要成分的混合氣體，即粗合成氣，發(fā)生復(fù)雜的多相物理及物理化學(xué)反應(yīng)[1]。

山東明泉新材料科技有限公司(簡(jiǎn)稱(chēng)明泉科技)頂置多噴嘴粉煤氣化裝置主要是完成粉煤在氣化爐內(nèi)的反應(yīng)，最高的燃燒溫度可以達(dá)到3 200 ℃，平均燃燒溫度可以達(dá)到1 500 ℃，使得燃燒更充分，從而保證碳的轉(zhuǎn)化率。裝置在開(kāi)車(chē)時(shí)，先點(diǎn)燃開(kāi)工燒嘴，開(kāi)工燒嘴將系統(tǒng)升溫升壓，在3.0 MPa時(shí)投入粉煤燒嘴。目前，國(guó)內(nèi)主流粉煤煤氣化裝置在開(kāi)車(chē)時(shí)，先點(diǎn)燃點(diǎn)火燒嘴，然后引燃開(kāi)工燒嘴；開(kāi)工燒嘴將爐壓升至1.0 MPa左右時(shí)，投入粉煤燒嘴。根據(jù)類(lèi)似裝置開(kāi)車(chē)情況，低壓力下投入粉煤燒嘴，易出現(xiàn)粉煤管線不穩(wěn)定，爐壓波動(dòng)較大的情況；同時(shí)，開(kāi)工燒嘴不具備高壓投料的條件[2]。

明泉科技頂置多噴嘴粉煤氣化裝置經(jīng)實(shí)踐可實(shí)現(xiàn)高壓力下投煤，筆者針對(duì)爐壓在1.0 MPa下投煤和3.0 MPa下投煤這兩種情況的對(duì)比，探討高壓投煤技術(shù)在粉煤氣化裝置中的有效應(yīng)用。

1 煤氣化開(kāi)車(chē)過(guò)程

明泉科技頂置多噴嘴粉煤氣化裝置為頂噴下行水激冷流程，氣化爐頂部中心布置開(kāi)工燒嘴1個(gè)，120°均勻分布粉煤燒嘴3個(gè)，開(kāi)工燒嘴使用氣態(tài)液化石油氣(LPG)與純氧燃燒，開(kāi)車(chē)前調(diào)整LPG熱值與裝置所產(chǎn)生合成氣熱值相似，正常生產(chǎn)后若將開(kāi)工燒嘴作為長(zhǎng)明燈使用，則可切換LPG為合成氣燃燒，一旦粉煤燒嘴跳車(chē)，可實(shí)現(xiàn)帶壓連投，盡快恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定。同時(shí)，為了延長(zhǎng)開(kāi)工燒嘴的使用壽命，投煤成功以后，也可退出開(kāi)工燒嘴，僅使用少量高壓二氧化碳及清潔高壓氮?dú)鈱?duì)燃料氣及氧氣管線進(jìn)行保護(hù)即可。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，裝置可實(shí)現(xiàn)單個(gè)粉煤燒嘴短時(shí)間跳車(chē)運(yùn)行，及時(shí)處理后投入即可(避免局部溫度過(guò)低造成爐內(nèi)溫度分布不均而集渣，2個(gè)燒嘴運(yùn)行不允許超過(guò)1 h)，可以最大速度恢復(fù)系統(tǒng)穩(wěn)定且最大幅度降低波動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。

開(kāi)車(chē)主要過(guò)程為：

(1) 氣化爐激冷室液位控制在15%左右(確保液位低于下降管下管口)，依靠開(kāi)工抽引實(shí)現(xiàn)氣化爐內(nèi)微負(fù)壓狀態(tài)，利用高能點(diǎn)火槍點(diǎn)燃開(kāi)工燒嘴。

(2) 開(kāi)工燒嘴引燃后，根據(jù)氣化爐壓對(duì)應(yīng)氧量曲線(見(jiàn)圖1),燃料氣由氧燃比設(shè)定值串級(jí)跟蹤控制，緩慢將氣化爐壓力升至2.5 MPa(第一階段)，升壓速率為0.27 kPa/s，此時(shí)進(jìn)行氧氣管線測(cè)漏程序，測(cè)漏完成后，爐壓控制至3.0 MPa(第二階段)。

圖1 升溫升壓階段開(kāi)工燒嘴燃料氣、氧氣體積流量與爐壓對(duì)應(yīng)曲線

(3) 粉煤燒嘴作為正常運(yùn)行時(shí)使用的燒嘴，主要反應(yīng)介質(zhì)為粉煤和純氧，在3條粉煤循環(huán)建立穩(wěn)定后，可點(diǎn)擊“三支燒嘴同時(shí)投入”按鈕將3個(gè)粉煤燒嘴按照預(yù)編順控程序同時(shí)投入系統(tǒng)。

(4) 投煤以后，因負(fù)荷較低(投煤負(fù)荷約為設(shè)計(jì)負(fù)荷的35%)，爐壓較高，投煤對(duì)爐壓的影響較小，投煤后可直接提升負(fù)荷，有效提高開(kāi)車(chē)效率。

該裝置開(kāi)車(chē)過(guò)程不用考慮投煤時(shí)需要的激冷氣量，開(kāi)車(chē)過(guò)程利用開(kāi)工燒嘴實(shí)現(xiàn)氣化爐升溫升壓，完全自動(dòng)化控制，不需額外的人工操作。投煤階段，爐壓達(dá)到3.0 MPa后，投煤負(fù)荷達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷的35%，投煤前需先建立粉煤循環(huán)，粉煤循環(huán)穩(wěn)定后，通過(guò)三通閥換向?qū)⒎勖呵兄翚饣癄t中反應(yīng)，粉煤循環(huán)建立時(shí)的質(zhì)量流量為2.5～3.0 kg/s，煤線和爐壓更加穩(wěn)定，投煤更加可靠。

裝置氣化工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 氣化工藝流程

2 低壓投煤開(kāi)車(chē)出現(xiàn)的主要問(wèn)題

國(guó)內(nèi)發(fā)展較早的粉煤氣化裝置均在0.7～1.0 MPa壓力范圍內(nèi)投煤，明泉科技頂置多噴嘴粉煤氣化裝置提前建立粉煤循環(huán)，投煤過(guò)程自動(dòng)切換三通閥入爐，由于該壓力下煤線波動(dòng)較大，極易造成粉煤管線因速度、密度低聯(lián)鎖導(dǎo)致粉煤燒嘴跳車(chē)。

采用低壓投煤，開(kāi)車(chē)過(guò)程需要將粉煤給料罐壓力初期控制得較低，隨著氣化爐壓力的增高，粉煤給料罐壓力緩慢升高，主要采用壓差來(lái)控制粉煤管線的穩(wěn)定，該操作需要兼顧粉煤給料罐和氣化爐壓力，操作要求高、難度大，開(kāi)車(chē)期間需要專(zhuān)人監(jiān)控。

下行水激冷爐型需要在0.8～1.0 MPa爐壓下對(duì)黑水進(jìn)行切換(氣化爐黑水外排由真空閃蒸罐切換至高壓閃蒸罐)，該過(guò)程剛好在投煤期間進(jìn)行，投煤期間的爐壓波動(dòng)可能造成黑水外排的不穩(wěn)定。

初期粉煤氣化裝置發(fā)展時(shí)，開(kāi)工燒嘴非常容易損壞，主要原因?yàn)樵O(shè)計(jì)可燃物與助燃物在開(kāi)工燒嘴內(nèi)部預(yù)混后，噴出后在氣化爐內(nèi)燃燒；經(jīng)過(guò)實(shí)踐，目前各廠家均采用一體化燒嘴，使可燃物與助燃物在氣化爐內(nèi)混合并且燃燒，大大提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性，同時(shí)，也為開(kāi)工燒嘴能夠使系統(tǒng)升至高壓后投煤提供了技術(shù)支持。

3 高壓投煤技術(shù)應(yīng)用效果

目前國(guó)內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)高壓投煤的裝置主要有GSP爐型，該爐型在氣化爐壓力升至反應(yīng)壓力(3.8 MPa)時(shí)進(jìn)行投煤，其煤線設(shè)置與航天爐一致，均為3條粉煤管線對(duì)應(yīng)1條氧氣管線，開(kāi)車(chē)過(guò)程若出現(xiàn)單條粉煤管線跳車(chē)均會(huì)聯(lián)鎖3條粉煤管線停車(chē)，但是由于長(zhǎng)明燈的存在，可以實(shí)現(xiàn)帶壓連投。該裝置原始設(shè)計(jì)無(wú)粉煤循環(huán)管線，因此無(wú)法提前建立粉煤循環(huán)；由于粉煤粒度較細(xì)，易因靜電力出現(xiàn)板結(jié)等情況，投煤過(guò)程易出現(xiàn)因粉煤管線波動(dòng)引起的氧碳比聯(lián)鎖跳車(chē)情況。

該裝置設(shè)計(jì)3個(gè)粉煤燒嘴，即3條粉煤管線對(duì)應(yīng)3條氧氣管線，粉煤管線和氧氣管線均設(shè)置單獨(dú)的調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)單條粉煤管線停車(chē)后系統(tǒng)短時(shí)間運(yùn)行，不再需要長(zhǎng)明燈(即開(kāi)工燒嘴)運(yùn)行，有效地延長(zhǎng)了開(kāi)工燒嘴的使用壽命。在3.0 MPa壓力下提前建立粉煤循環(huán)，待粉煤管線穩(wěn)定后，投入粉煤燒嘴;投煤成功后，整個(gè)系統(tǒng)波動(dòng)較小，只需要重點(diǎn)監(jiān)控爐壓及粉煤管線即可，稍后提升負(fù)荷，待粉煤管線、氧煤比控制穩(wěn)定后，即可將整個(gè)控制系統(tǒng)投入串級(jí)，開(kāi)工燒嘴即可退出，使用惰性氣保護(hù)[3-4]。

該裝置自2017年7月開(kāi)車(chē)至今，未出現(xiàn)開(kāi)工燒嘴損壞情況，開(kāi)車(chē)過(guò)程未出現(xiàn)因粉煤燒嘴問(wèn)題導(dǎo)致的停車(chē)情況，運(yùn)行過(guò)程經(jīng)實(shí)踐可實(shí)現(xiàn)2個(gè)粉煤燒嘴短時(shí)間運(yùn)行，為系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行及最大幅度降低波動(dòng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響提供了保證。

4 高壓投煤關(guān)鍵參數(shù)及關(guān)鍵操作要求

(1) 氧氣壓力開(kāi)車(chē)前直接提至正常生產(chǎn)壓力(4.9～5.1 MPa)。

(2) 粉煤給料罐壓力可直接控制至4.5～4.6 MPa。

(3) 開(kāi)工燒嘴點(diǎn)火前，對(duì)燃料氣及氧氣進(jìn)行標(biāo)定，開(kāi)車(chē)前利用氧氣置換氧氣管線，保證點(diǎn)火安全可靠。

(4) 因投煤前氣化爐壓力較高，粉煤循環(huán)時(shí)(3條粉煤管線同時(shí)建立背壓)對(duì)粉煤貯罐壓力沖擊較大(爆破片0.04 MPa)，因此減壓管選取必須能夠滿足要求。

(5) 粉煤燒嘴氧氣管線投煤閥位初始標(biāo)定，確保入爐氧氣安全可控。

(6) 投煤時(shí)壓力至3.0 MPa，氣化爐黑水外排在1.0 MPa時(shí)切換完畢，激冷室液位波動(dòng)較小。

(7) 若出現(xiàn)單個(gè)粉煤燒嘴跳車(chē)，其余2個(gè)粉煤燒嘴自動(dòng)保持當(dāng)前負(fù)荷的三分之二，解決問(wèn)題后投入即可恢復(fù)整個(gè)工況。

(8) 不允許僅1個(gè)粉煤燒嘴運(yùn)行，爐內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)不可控。

(9) 投煤前后爐壓利用壓力控制回路控制，完全自動(dòng)控制，必要時(shí)可人工干預(yù)。

(10) 一體化開(kāi)工燒嘴能夠保證系統(tǒng)升壓至3.0 MPa，非預(yù)混確保了設(shè)備操作更加簡(jiǎn)便、安全。

(11) 氧氣、燃料氣、粉煤管線關(guān)鍵切斷閥動(dòng)作時(shí)間嚴(yán)格管控，超時(shí)必須自動(dòng)聯(lián)鎖。

(12) 投煤成功，爐壓波動(dòng)較小，僅需緩慢提升總負(fù)荷設(shè)定，即可實(shí)現(xiàn)裝置達(dá)到正常生產(chǎn)工況，操作強(qiáng)度及難度降低，效率有效提高。

5 結(jié)語(yǔ)

從該裝置開(kāi)車(chē)的過(guò)程來(lái)看，投煤前，能夠提前建立穩(wěn)定粉煤循環(huán)，高壓投煤下，不但穩(wěn)定可靠，而且投煤后操作便利，系統(tǒng)更快達(dá)到正常負(fù)荷，為裝置開(kāi)車(chē)節(jié)省大量資金和時(shí)間。