粉煤氣化爐生產(chǎn)問題探討

張寒修

(新疆和山巨力化工有限公司， 新疆奎屯 833200)

新疆和山巨力化工有限公司TDI裝置采用先進的粉煤加壓氣化技術(shù)，分為磨煤及干燥、粉煤加壓輸送、粉煤氣化、渣水處理4個單元。以干煤粉為原料，在溫度高于灰熔點100～150 ℃以及壓力為4.0 MPa左右下，與純氧及少量蒸汽進行氣化反應(yīng)，產(chǎn)生的粗合成氣經(jīng)水激冷和洗滌后，送入后續(xù)變換系統(tǒng),渣及廢水經(jīng)處理后回收利用。

粉煤加壓氣化裝置具備低能耗、產(chǎn)品氣純度高、低污染等優(yōu)勢，逐步替代固定層造氣爐工藝，其運行狀況直接影響后系統(tǒng)生產(chǎn)運行質(zhì)量。分析粉煤氣化爐運行過程中出現(xiàn)的粗煤氣洗滌、氣固分離、參數(shù)波動情況，提出解決措施。

1 工藝流程

該粉煤氣化工藝包括磨煤及干燥、粉煤加壓及輸送、粉煤氣化及合成氣洗滌、渣及灰水處理、氣化公用工程等單元。氣化裝置設(shè)計負荷為60%～110%，年生產(chǎn)時間為8 000 h。裝置物料平衡按48 000 m3/h有效氣(CO+H2)規(guī)模考慮，粗合成氣產(chǎn)量為117 300 m3/h。

1.1 磨煤及干燥

原料煤(直徑<30 mm)經(jīng)皮帶送至氣化系統(tǒng)原煤筒倉貯存，原煤經(jīng)稱重給煤機送入磨煤機進行研磨，通過調(diào)整磨煤機磨輥加載力、磨煤機旋轉(zhuǎn)分離篩轉(zhuǎn)速、循環(huán)風(fēng)量,將粉煤粒度控制在5～90 μm,粉煤固體質(zhì)量分數(shù)≥90%,粉煤的水分質(zhì)量分數(shù)<2%。惰性氣體進入磨煤機時溫度為150～300 ℃，出磨煤機時的溫度為100～110 ℃。由惰性氣體輸送的干燥粉煤進入粉煤袋式過濾器進行分離后，粉煤經(jīng)旋轉(zhuǎn)卸料閥至螺旋輸送機,再被送至粉煤貯罐，分離出的惰性氣體部分排放至大氣，剩余部分經(jīng)循環(huán)風(fēng)機進入循環(huán)風(fēng)加熱器循環(huán)使用。正常情況下循環(huán)風(fēng)加熱器采用后續(xù)工序變壓吸附提氫的解吸氣作為燃料氣，并用燃燒空氣鼓風(fēng)機提供助燃空氣。

1.2 粉煤加壓及輸送

粉煤加壓及輸送單元共4臺主要設(shè)備，分別為粉煤貯罐過濾器(S21601)、粉煤貯罐(T21601)、粉煤輸送罐(T21602)、粉煤加料罐(T21603)。

其中,S21601用于過濾其余3臺設(shè)備放空氣體中的粉煤；T21603用于向氣化爐穩(wěn)定輸送粉煤，正常運行時為高壓狀態(tài)；T21601用于貯存磨煤及干燥單元產(chǎn)生的粉煤，正常運行時為低壓狀態(tài);T21601內(nèi)的常壓粉煤必須通過T21602(粉煤溫度≥80 ℃)加壓后才能輸送至T21603。

在一次加料過程中，常壓下的T21601中粉煤通過重力作用進入T21602。T21602內(nèi)充滿粉煤后，與T21601及所有低壓設(shè)備隔離，然后進行加壓;當(dāng)其壓力升至與T21603壓力相同，且T21603內(nèi)的料位降低到足以接收一批粉煤時，打開兩者之間平衡閥門進行壓力平衡，依次打開T21602和T21603之間的兩個切斷閥，粉煤通過重力作用進入T21603。T21602卸料完成后，將氣體排放至S21601進行泄壓，經(jīng)壓力平衡后與T21601聯(lián)通。此時，一次加料完成。

T21602加壓是通過充入高壓二氧化碳(開工時為氮氣)完成的，高壓二氧化碳經(jīng)充氣錐、充氣管、管道充氣器和二氧化碳氣體凈化器后直接進入T21602。

T21603和粉煤氣化、合成氣洗滌單元的氣化爐之間保持恒定的壓差(0.7 MPa)，為氣化爐連續(xù)、穩(wěn)定地提供粉煤物料。

1.3 粉煤氣化及合成氣洗滌

粉煤氣化及合成氣洗滌單元主要由氧氣系統(tǒng)、粉煤進料系統(tǒng)、汽包系統(tǒng)、燃燒器降溫水系統(tǒng)、氣化與洗滌系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)組成；氧氣經(jīng)氧氣預(yù)熱器預(yù)熱后(180 ℃)與中壓過熱蒸汽(4.8 MPa、465 ℃)按照一定比例混合形成氣化劑，經(jīng)燒嘴進入氣化爐燃燒室(4.0 MPa、1 400～1 700 ℃)；粉煤在高壓二氧化碳的輸送下，分3路進入氣化爐燃燒器的混合腔，混合均勻后進入氣化爐燃燒室，同氧氣/蒸汽混合氣發(fā)生反應(yīng)，生成主要成分為(CO+H2)的高溫粗合成氣及高溫熔渣，再經(jīng)激冷室被水激冷后生成飽和粗合成氣和固態(tài)渣。

粗合成氣出氣化爐后經(jīng)高壓噴射器(Z21702)及洗氣除塵塔(C21701)洗滌后送入變換工段。

固態(tài)渣經(jīng)破渣機(M21701)破碎后進入爐渣輸送罐(T21703)排渣系統(tǒng)，然后經(jīng)渣水單元撈渣機(M21801)撈至渣車上運出廠區(qū)。

氣化爐激冷室(F21701)及C21701中的黑水經(jīng)一級回收塔(V21801)進入渣水處理單元進行處理。

氣化反應(yīng)過程中，汽包循環(huán)水吸收水冷壁熱量，產(chǎn)出4.4 MPa、269 ℃的飽和蒸汽，經(jīng)減壓送至2.5 MPa中壓蒸汽管網(wǎng)。

燒嘴冷卻水系統(tǒng)用于吸收燒嘴熱量，保護燒嘴。

1.4 渣與灰水處理

渣水處理單元主要作用是對F21701、C21701及渣池(V21811)排出的灰水以及T21703排出的固渣進行初步處理，去除其中的不凝氣和固體顆粒，實現(xiàn)熱量的回收和水的循環(huán)使用；F21701黑水(4.0 MPa、217 ℃)和C21701黑水(3.7 MPa、210 ℃)，經(jīng)減壓后進入V21801(0.5 MPa、159 ℃)，閃蒸后的黑水被濃縮、降溫后吸出部分不凝氣體。

V21801A/B閃蒸后的黑水經(jīng)高壓閃蒸罐，進入二級回收塔(V21804)(-0.05 MPa、82 ℃)，黑水進一步被濃縮、降溫以及不凝氣全部吸出后，進入沉降槽與絮凝劑混合(82 ℃、常壓)，真空閃蒸產(chǎn)生的水蒸氣及不凝氣經(jīng)過V21804罐頂二級回收冷卻器(E21802)換熱后進入二級回收分離罐(T21805)(-0.07 MPa、66 ℃)進行氣液分離，分離后的冷凝液進入清液灰水槽(T21801)，不凝氣經(jīng)閃蒸真空泵(P21811)后放空。

V21801閃蒸產(chǎn)生的大量蒸汽(0.5 MPa、159 ℃)進入一級回收塔換熱器(C21801)(0.5 MPa、159 ℃)回收系統(tǒng)熱量，提高灰水溫度，剩余少量蒸汽和不凝氣經(jīng)過一級閃蒸冷卻器(E21804)后，進入一級回收分離罐(T21803)(0.43 MPa、60 ℃)進行氣液分離，分離后的冷凝液進入除氧器(V21808)，不凝氣進入火炬系統(tǒng)。

沉降槽(S21801)內(nèi)細灰在絮凝劑的作用下開始沉降，并被轉(zhuǎn)動的耙料機(RA21802)刮向S21801底部，中間產(chǎn)生的泥漿經(jīng)過S21801底流泵(P21804)輸送至真空過濾機(S21802)，過濾后濾餅經(jīng)渣車拉出廠區(qū)，過濾后產(chǎn)生的濾液經(jīng)沉渣池泵(P21815A/B)輸送至S21801循環(huán)利用，經(jīng)過沉降分離后上部較清的灰水溢流至T21801(常壓、81 ℃)。

加入分散劑的灰水經(jīng)過清液泵(P21803)加壓后，灰水(0.02 MPa、104 ℃)送至除氧器(V21808)，部分灰水去沖洗爐渣輸送罐(T21703A/B)，部分灰水作為廢水外排，用于保持系統(tǒng)水質(zhì)平衡。

V21808內(nèi)同時補入部分來自變換的預(yù)熱脫鹽水(0.6 MPa、95 ℃)，進入V21808的灰水及冷凝液被低壓蒸汽(0.5 MPa)升溫后，經(jīng)除氧水泵(P21807)送至C21801，在C21801內(nèi)灰水與V21801頂部出來的閃蒸汽進一步換熱后，經(jīng)過除塵塔給料泵(P21806)加壓，送至C21701調(diào)節(jié)塔液位；部分輸送至Z21702、氣化爐合成氣出口噴淋，以及用于T21703加壓。

一路用于停車時補充激冷水流量，一路用于激冷水流量聯(lián)鎖低報時作為事故激冷水。

2 反應(yīng)原理

利用高溫環(huán)境下粉煤與氣化劑反應(yīng)，生成粗合成氣,其過程分為燃燒反應(yīng)和氣化反應(yīng)兩個階段。

由于燃燒室中上部O2充足，粉煤發(fā)生燃燒反應(yīng)，放出大量的熱，同時將O2消耗；燃燒室中下部O2濃度低，未完全燃燒的粉煤干餾產(chǎn)物焦炭主要與CO2、H2O發(fā)生還原反應(yīng)，生成有效氣體(CO+H2)，粉煤燃燒與氣化的過程中同時產(chǎn)生CO2、NH3、CH4、H2S等物質(zhì)。

3 煤質(zhì)分析

煤質(zhì)分析見表1。

表1 煤質(zhì)分析

4 氣化爐壓差控制

停車后對氣化爐爐壁掛渣情況進行檢查：氣化爐爐壁掛渣效果較差，上半部部分區(qū)域露出渣釘，渣口處露出渣釘(氣化爐停車前期因渣口壓差過高超過400 kPa而過分提升氧煤比燒渣口壓差導(dǎo)致)，激冷環(huán)正常，部分激冷水通道堵塞嚴重。

從工藝運行角度分析：只要氣化爐運行平穩(wěn)且爐溫合理，壓差就能維持平衡。如果爐溫偏低，爐壁掛渣流動性變差，渣口就逐漸變小，壓差逐漸增大，氣體成分也就隨之發(fā)生變化。在實際操作過程中，減少氧煤比后，短時間內(nèi)壓差幾乎不變，穩(wěn)定8～10 h以后，壓差逐漸增大，為運行埋下隱患。

同時,為避免分析判斷失誤，在氣化爐現(xiàn)場液位計氣相增加壓力變送器，以準(zhǔn)確判斷是渣口壓差波動還是氣化爐粗合成氣出口堵塞導(dǎo)致壓差波動，以此決定調(diào)整措施。根據(jù)實際氣化爐負荷運行情況分析，氣化爐負荷<70%運行時，氣化爐爐溫波動大、渣口壓差波動大(最大波動為400 kPa);當(dāng)85%～100%負荷運行時,氣化爐爐溫和渣口壓差波動比較穩(wěn)定。

渣口壓差高時可采取以下措施：

(1) 適當(dāng)提高氧煤比，提高氣化爐溫度，增加渣的流動性，同時適當(dāng)提高火焰剛性及火焰長度，對降低渣口效果比較明顯。

氧煤比控制過高會導(dǎo)致氣化爐爐膛內(nèi)渣層變薄，出現(xiàn)大面積掉渣現(xiàn)象，短時間內(nèi)爐溫上升較快，因此應(yīng)確認條件及各方面原因后及時調(diào)整氧煤比。

(2) 降低氣化爐壓力，該種方法類似拉長爐膛火焰，因氣化爐負荷一定，后續(xù)壓力較低，氣化爐與后續(xù)系統(tǒng)壓差升高，渣口處流速升高，可減少因煤種黏溫特性導(dǎo)致渣流動性較差，堆積渣口處壓差升高。因氣體流速較高，合成氣經(jīng)過水浴產(chǎn)生的水泡其動能大于重力勢能及阻力，導(dǎo)致合成氣帶水嚴重，輕則激冷室內(nèi)積灰加劇，重則氣化爐液位突然降低且不易提升。因此降低后續(xù)壓力需關(guān)注氣化爐帶水情況，防止意外發(fā)生。

(3) 當(dāng)采取以上措施時，CO2輸送時控制其體積分數(shù)不超過12%，氮氣輸送時體積分數(shù)不超過8%、CH4體積分數(shù)不低于300×10-6、有效氣體體積分數(shù)不低于85%。

5 粗合成氣洗滌、分離問題

停車后,拆檢氣化爐激冷室時發(fā)現(xiàn)內(nèi)部硬渣較多，下降管、上升管正常，整流罩內(nèi)積灰較多，支撐板處積滿粉狀細灰，粗合成氣出口折流板處被渣堵至僅剩余一拳頭大小的通道(硬渣)，液位計處堵塞嚴重。

原因分析：對氣化爐上升管、下降管、現(xiàn)場(遠傳)液位計進行測量，對比后發(fā)現(xiàn)上升管、下降管均比設(shè)計值短;正常控制氣化爐激冷室液位為30%～50%，實際控制為43%;粗合成氣沒有進行水浴洗滌，一部分細灰和硬渣隨氣體向后移，時間一長造成氣化爐激冷室內(nèi)及粗合成氣出口處積灰、結(jié)垢，隨之氣化爐激冷室內(nèi)粗合成氣分離空間變小、流速增大，氣固分離效果更差;細灰和硬渣隨氣體進入后續(xù)管線、設(shè)備，造成管線磨蝕、結(jié)垢。

整改措施：

(1) 檢修時,加長下降管、上升管，保障合成氣的水浴質(zhì)量，增加分離的空間(氣化爐液位上半部分)，增加合成氣中液泡上升的阻力及重力勢能，避免氣化爐帶水、帶灰。

(2) 對粗合成氣出口管噴淋進行改造，設(shè)計粗合成氣出口為兩路洗滌水，考慮到出口管線有一路噴淋足以滿足洗滌需要，將另一路引至氣化爐激冷室內(nèi)，在粗合成氣流速最低處(下降管和上升管之間的通道)，經(jīng)折流后進入激冷室上部空間進行噴淋洗滌。在折流罩外圈加噴淋環(huán)，通過模擬使粗合成氣全部經(jīng)過噴淋洗滌，這樣粗合成氣經(jīng)噴淋洗滌后再經(jīng)粗合成氣出口折流分離后進入出口管線，分離效果更佳，同時對激冷室上部空間也有沖洗作用[1-2]。

6 氧煤比的控制

停車后，檢查氣化爐爐壁掛渣情況,發(fā)現(xiàn)氣化爐爐壁掛渣效果較差，上半部部分區(qū)域渣口處露出渣釘。

氣化爐停車前,渣口壓差過高超過400 kPa，經(jīng)分析為過分提升氧煤比導(dǎo)致。

調(diào)整氧煤比就能控制氣化爐溫。當(dāng)氣化爐溫太低時，爐膛內(nèi)渣流動性較差，造成氣化爐內(nèi)掛渣不均，出現(xiàn)負荷調(diào)整及壓力波動，導(dǎo)致掉渣，使渣口壓差急速上漲；又因氧煤比較低，粉煤燃燒不充分，導(dǎo)致激冷水水浴后碳含量較高，合成氣中帶灰現(xiàn)象嚴重，洗滌塔氣體分布器、合成氣管道內(nèi)積灰嚴重；同時，洗滌塔排液量沒有增加，導(dǎo)致激冷水水質(zhì)變差，影響氣化爐長周期運行[3]。當(dāng)氣化爐溫太高時，原固態(tài)渣層變薄、熔渣較多，導(dǎo)致汽包水溫度升高、密度持續(xù)降低；細渣中固含量增大，導(dǎo)致后續(xù)管線磨損現(xiàn)象加劇；過高的渣流動性將直接導(dǎo)致爐壁上固有渣層大量脫落后堵塞渣口，更為嚴重的是由于爐壁渣層變薄，爐內(nèi)高溫氣流有可能對爐壁產(chǎn)生損傷。因此，平時應(yīng)對氧煤比進行嚴格控制和關(guān)注。加大CO2、CH4含量分析頻率，將爐渣形態(tài)、汽包水溫度、壓力、汽包補水及蒸汽產(chǎn)量等作為調(diào)整氧煤比參考依據(jù)，對氧煤比的調(diào)整需要小幅度、緩慢、多次進行，避免調(diào)整幅度過大、過快引起爐溫劇烈波動[4]。

爐膛溫度直接反映爐子內(nèi)部掛渣的好壞，是氣化爐安全運行的前提條件。氣化爐正常運行時,爐膛溫度一般控制在800 ℃以下。上錐段溫度一般控制在600 ℃以下，因為上錐段溫度過高會造成燒嘴的燒蝕，嚴重時會造成上錐部外壁溫度超標(biāo)，繼而引發(fā)穹頂破裂，造成事故。

7 結(jié)語

引進新設(shè)備、新工藝、新技術(shù)后，只有不斷深入研究工藝流程和生產(chǎn)原理，并針對實際生產(chǎn)運行情況進行改造優(yōu)化，才能取得更好的經(jīng)濟效益。生產(chǎn)管理人員針對運行過程中出現(xiàn)的各種問題進行徹底分析，不斷優(yōu)化操作流程，才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。