HT-L 粉煤氣化爐的運行優(yōu)化研究

鄭永利，喬二浪，馬世榮，喬林艷

（1.陜西榆能化學(xué)材料有限公司，陜西 榆林 719000；2.國家能源鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

1 HT-L 粉煤加壓氣化原理及特點

1.1 HT-L 粉煤加壓氣化原理

HT-L 粉煤加壓氣化技術(shù)由航天長征化工有限公司開發(fā)，在中國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)[1]。氣化過程主要包括磨煤和干燥、煤粉加壓和給煤、氣化和合成氣凈化、爐渣和灰水處理。HT-L 粉煤氣化技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備是航天爐。氣化過程為旋流床氣化，反應(yīng)原料煤粉通過高壓二氧化碳（或高壓氮氣）輸送至獨特的煤粉天然氣燃燒器，然后快速注入爐膛，氣化爐用氣化劑（氧氣和少量蒸汽）在高溫下氣化。反應(yīng)轉(zhuǎn)化為以CO 和H2為主要成分的粗合成氣，經(jīng)清洗除灰后送入轉(zhuǎn)化模塊。氣化過程中產(chǎn)生的中壓飽和蒸汽，使動能的利用最大化，并將其回收利用。

1.2 HT-L 粉煤加壓氣化工藝主要技術(shù)特點

1）以干燥煤粉為原料，高壓二氧化碳（或高壓氮氣）送入氣化爐，碳轉(zhuǎn)化率高（高達(dá)99.2%），冷煤氣效率可達(dá)80%～85%；

2）該工藝對煤的粒度分布、揮發(fā)分、黏聚力、含水量、含硫量、含氧量和灰分組成等特性不敏感；

3）氣化爐為再熱器結(jié)構(gòu)，可在高溫下氣化煤粉，有效提高轉(zhuǎn)化率；

4）除渣采用水浴方式，同時冷卻合成氣，合成氣中的汽氣比較高；

5）一次性投資小，運行維護(hù)成本低。

2 工藝流程簡述

氣化爐由上部再熱器輻射源燃燒反應(yīng)室和下部激冷室組成。在反應(yīng)室內(nèi)，氧氣/蒸汽和煤粉通過煤粉燒嘴進(jìn)入氣化爐。煤粉與氧氣/蒸汽充分混合，在高溫下（約1 380 ℃，4.0 MPa）進(jìn)行氣化反應(yīng)。反應(yīng)室為盤管式水冷壁熱交換結(jié)構(gòu)，并覆蓋耐火材料和隔熱材料。水冷壁與氣化爐外殼之間的間隙腔體內(nèi)連續(xù)通入保護(hù)氣體（高壓二氧化碳/高壓氮氣），使氣化爐殼體溫度始終保持在200 ℃左右。通過將冷卻循環(huán)水引入水夾套保護(hù)，冷卻循環(huán)水在水夾套內(nèi)連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)流動性，燒嘴冷卻循環(huán)水溫度控制在145 ℃～150 ℃之間。為了保護(hù)氣化爐壓力容器和水冷壁盤管，通過循環(huán)泵維持強制水循環(huán)系統(tǒng)。冷卻循環(huán)水總量為600 t/h。管道中的流動水吸收爐中氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的部分熱值，并產(chǎn)生氣化蒸汽。盤管鍋爐水通過泵強制循環(huán)，不僅可以回收煤粉部分氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的部分熱值，還可以將其轉(zhuǎn)化為高壓蒸汽（約4.5 MPa飽和蒸汽），可有效降低外殼受壓時的溫度。氣化爐再熱器產(chǎn)生的中壓飽和蒸汽調(diào)壓后送至蒸汽管網(wǎng)。爐渣通過激冷環(huán)和下降管被冷卻水冷卻后，沿著下降管被進(jìn)入激冷室的水浴中。爐渣迅速淬裂，合成氣被水飽和。來自氣化爐的合成氣經(jīng)過文丘里清潔器、旋風(fēng)分離罐，進(jìn)入合成氣濕洗塔進(jìn)行清洗，去除殘余灰，然后輸送至后工段。激冷后的爐渣為玻璃狀顆粒，大部分通過渣鎖斗系統(tǒng)排入撈渣機[2]。

3 “以渣抗渣”的原理

在水冷壁面上涂一薄層耐火隔熱材料，用電焊焊接銷釘。在生產(chǎn)運行過程中，由于耐火材料和金屬銷釘具有良好的傳熱效果，靠近邊界層的爐渣熱值被膜式水冷壁迅速吸收熱量，溫度降至灰熔點以下，固化黏附；避開邊界層的渣層太厚，導(dǎo)熱摩擦阻力較大，溫度高于灰熔點，且保持流動性。這樣，爐渣有效地保護(hù)再熱器免受腐蝕、高溫燃燒和爐渣損壞，并提高使用壽命，稱為抗渣性。

4 原料煤組分對氣化爐操作的影響

4.1 煤的水分對HT-L 氣化工藝的影響

HT-L 粉煤氣化工藝的進(jìn)料要選取質(zhì)量有保證的干煤粉，并且水含量不能超過2%。從氣化爐的角度來說，如果客觀上出現(xiàn)特殊情況，煤粉水分含量可能要比2%低一些或者高一些，但是得在合理的范圍之內(nèi)，不然，煤粉就會結(jié)塊，彼此間產(chǎn)生不同程度的粘連，進(jìn)而導(dǎo)致輸送上的“堵塞”。但當(dāng)前的實際情況是，水分含量一般都在2%以上，超過的部分要以磨煤干燥等方式去除掉。

4.2 煤的灰分對氣化的影響

4.2.1 煤灰含量的影響

煤灰是煤中含有的惰性物質(zhì)，在它形成和發(fā)展的過程中不會對氣化反應(yīng)產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。但是，氣化反應(yīng)期間，高灰含量煤炭會不斷累積煤灰，其潛熱和顯熱會隨著煤灰數(shù)量的降低而減少，熱效率也持續(xù)降低。與此同時，如果存在數(shù)量較大的煤灰，原料的運輸成本必然會增加，煤炭消耗量和氧消耗量也會提高，導(dǎo)致灰處理系統(tǒng)需要承擔(dān)比以往更大的負(fù)荷，氣化爐也無法有效正常運行。煤灰當(dāng)中的一些成分含量會抑制煤灰固有的熔化特性，爐渣排放會受到很大的影響，渣閥也將遭到阻塞。HT-L 氣化爐一般采用到的結(jié)構(gòu)都是水冷壁。同時，如果氣化爐中原有的熱負(fù)荷出現(xiàn)了上下波動，那么在水冷壁周圍的固態(tài)渣層就會被熔化掉，渣層就會不斷累積，為爐壁形成了一道天然屏障。假如煤炭中的灰分沒有達(dá)到一定含量，那么固態(tài)渣層就難以形成，氣化爐的熱量就會源源不斷的損失，冷氣體的效率也會大不如前，不能為爐壁形成一道天然屏障，氣化爐也達(dá)不到原有的服務(wù)年限[3]。其實，HT-L 煤氣化工藝對于煤灰的含量沒有做具體要求，從運行經(jīng)驗來看，其含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在12%～17%之間為宜，如果這一數(shù)值太小，那么蒸汽含量就會變大，水冷壁固體保護(hù)渣層得不到有效的形成。如這一數(shù)值太大，工況也將得不到保證，爐溫會變得更高，氣化爐運行壽命將會變得很短。

4.2.2 煤灰熔點和爐渣黏度的影響

煤炭中的灰分在形成和發(fā)展的過程中不會對煤氣化反應(yīng)產(chǎn)生實質(zhì)性的影響，但要能夠保證煤炭渣流得到充分供應(yīng)。為了讓氣化爐爐渣按照預(yù)先設(shè)定好流程排出，在氣化操作溫度環(huán)節(jié)要保證在灰熔點以上100 ℃～150 ℃之間。如果熔點高于這一數(shù)值，那么氣化溫度要進(jìn)行動態(tài)的調(diào)高，氣化爐的運行經(jīng)濟(jì)會受到很大的影響，對于爐渣的有效排放起不到任何作用。所以，如果煤具有較高的灰熔點，需要在助熔劑的幫助下靈活調(diào)整煤灰中的堿比，改變煤固有的熔融特性，讓氣化爐按照原先計劃好的“路線圖”進(jìn)行。在一番對比研究后發(fā)現(xiàn)，如果煤具有低灰熔化溫度和較低操作溫度就會有更加優(yōu)質(zhì)的流動性液態(tài)渣能。

4.3 灰的的化學(xué)元素組成對氣化操作的影響

煤灰包含石英、黏稠劑等多個礦物組成?；抑械拿總€元素含量都是不固定的，這就導(dǎo)致得到的產(chǎn)物具有不盡相同的熔點，氣化爐的運行溫度、爐渣掛渣的情況也就出現(xiàn)不同程度差異。如果灰中沒有SiO2時，其軟化溫度就變得非常高，但是當(dāng)其含量直線上升時，其軟化溫度就變得比較低。出現(xiàn)這一情況的原因是，CaO 等元素會在加熱過程中“自動生成”。同時，隨著CaO 含量持續(xù)增加，軟化溫度就會越來越高。當(dāng)Na化合物的熔點比正常低時，非常容易跟灰內(nèi)的氧化物反應(yīng)生成低熔點共晶，并且Na+的電位不是很高，會在一定程度上損壞灰中的聚合物，熔融溫度也會因此下降，很多時候?qū)⑵洚?dāng)作助熔劑使用[4]。

4.4 煤炭揮發(fā)性物質(zhì)及其對HT-L煤氣化過程的影響

如果空氣條件是與外界隔離的狀態(tài)，同時煤炭樣品加熱到相應(yīng)的溫度以后，煤炭中加熱分解的有機物就會出現(xiàn)一定程度的揮發(fā)。這里所說的揮發(fā)性物質(zhì)跟水是不一樣的，它不存在于煤炭當(dāng)中，而是在進(jìn)行加熱以后，煤炭揮發(fā)的有機物及其分解產(chǎn)物，它的含量取決于加熱條件的優(yōu)劣。從當(dāng)前情況來看，物質(zhì)的揮發(fā)性能越好，煤炭化程度就會越淺，煤炭質(zhì)量也不很很重，反應(yīng)活性就越好，氣化反應(yīng)就越理想。但是，航天氣化需要進(jìn)行必要的高溫氣化，所以停留時間不能過長，氣體和固體之間的擴散反應(yīng)對有效控制碳轉(zhuǎn)換的重要抓手。因此，需要質(zhì)量較高的微粒作為堅實保證，但對揮發(fā)性物質(zhì)和反應(yīng)活性不能做過高的要求。

5 煤線不穩(wěn)定性對氣化操作運行的影響

煤粉鎖斗沒有流暢下料，因此在加工過程中，非常容易在設(shè)備內(nèi)部形成架橋，HT-L 氣化工藝在應(yīng)用過程中使用高壓二氧化碳加壓的方式進(jìn)行煤粉輸送，很容易導(dǎo)致煤粉在輸送過程中形成實物，由于在整個流程中，煤粉鎖斗工作頻繁，導(dǎo)致閥門內(nèi)漏、充氣錐破損等問題，對整個流程都是不利的，因此在煤粉的工作過程中，必須保證整條煤線的穩(wěn)定性。

6 通過綜合指標(biāo)判斷氣化工況運行

控制爐溫的重要參數(shù)包括二氧化碳、蒸汽等，因為在運行過程中工況波動，無法采用儀器實現(xiàn)精確測量，因此必須制定恰當(dāng)?shù)膮?shù)控制灰熔點問題，另一方面減少二氧化碳、蒸汽等重要參數(shù)對溫度的影響，結(jié)合爐渣的形狀確定當(dāng)前爐溫。爐渣中含有少量細(xì)礦渣粉和針狀爐渣時，對排渣基本沒有影響[5]。

7 結(jié)論

HT-L 煤氣化工藝和其他工藝相比，有非常顯著的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在該工藝耗氧量較低，另外有著較高的氣化效率等，從HT-L 煤氣化工藝整體運行效果來看，HT-L 煤氣化工藝的設(shè)計是完全符合新經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念的，HT-L 煤氣化工藝不僅能耗較低，而且有著非常高的產(chǎn)能，另外從設(shè)計來看，它的各項指標(biāo)均是符合標(biāo)準(zhǔn)的，符合可持續(xù)發(fā)展理念，目前HT-L 煤氣化工藝在煤化工企業(yè)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，但是在環(huán)保等方面有些不足，因此HT-L 煤氣化工藝使用發(fā)展空間和發(fā)展?jié)摿O大，本文針對HT-L 煤氣化工藝結(jié)合理論知識研究HT-L 煤氣化工藝的應(yīng)用情況，總結(jié)而言和實際其他公司的實際運行還存在很多差異。