固定床液態(tài)熔渣氣化爐渣池液位控制方法探究

陳江明，王學云，張波濤

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013；3.煤基節(jié)能環(huán)保炭材料北京市重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

我國是1個以煤炭為主要能源的國家，煤炭是實現清潔高效利用的最經濟、最安全的礦產資源，煤炭清潔高效利用不僅為國民經濟和社會快速發(fā)展提供保障，同樣為國家能源安全提供保障。現代煤氣化是煤炭清潔高效利用的核心技術，其中，液態(tài)熔渣氣化技術具有氣化反應溫度高、氧耗低、蒸汽用量少、氣化效率高和廢水產量低等優(yōu)點[1-2]。

國外對于固定床液態(tài)熔渣氣化技術的研究起始于上世紀70～80年代，英國燃氣公司對英國、美國、歐洲等多地區(qū)煤種進行大量試燒實驗，在英國愛丁堡附近的西田煤氣化實驗廠將1臺魯奇加壓氣化爐改造為液態(tài)熔渣氣化爐，氣化強度可達到原魯奇爐的3倍，連續(xù)運行90 d以上，積累了大量數據，并在此基礎上開發(fā)出了液態(tài)熔渣氣化技術，并驗證了工業(yè)化氣化爐直徑可達4 m，單爐日投煤量最大可達1 200 t，單爐日產合成氣可達200萬Nm3。上世紀90年代中后期，在德國黑水泵廠建成直徑φ3.6 m的液態(tài)熔渣氣化爐，采用當地劣質褐煤和固體廢物制成的型煤為原料，為甲醇項目提供原料氣，成功運行至2008年。

國內對于固定床液態(tài)熔渣氣化技術的研究起始于2005年，云南某煤化工企業(yè)將1臺φ2.3 m的魯奇固定床加壓氣化爐改造為液態(tài)熔渣氣化爐，進行了大量實驗研究，于2008年建成直徑φ3.6 m的液態(tài)熔渣氣化爐，一次性試車成功，至今運行良好。目前，國內工業(yè)化運用液態(tài)熔渣氣化技術的有內蒙古呼倫貝爾金新化工、云煤云南先鋒化工、中煤鄂爾多斯能源化工等企業(yè)[3-4]。中煤鄂爾多斯能源化工的熔渣氣化爐更是創(chuàng)造了單爐連續(xù)運行326 d的運行記錄，單爐運行氧負荷達到12 000 Nm3/h，有效氣含量達到86%以上。

液態(tài)熔渣特性是熔渣氣化技術的核心，研究熔渣特性影響因素對于工業(yè)化運行具有重要意義。筆者通過分析固定床液態(tài)熔渣氣化爐渣池液位的影響因素，得出熔渣氣化爐排渣控制方法及要點。

1 液態(tài)熔渣氣化技術簡介

液態(tài)熔渣氣化爐采用碎煤加壓氣化、液態(tài)排渣技術，固定床液態(tài)熔渣氣化技術具有氣化溫度高、氣化強度高、有效氣含量高、蒸汽使用量少、廢水產量低、設備投資少等優(yōu)點。煤在氣化爐中的氣化過程如圖1所示，即煤在氣化時從上往下分別依次經過干燥層、干餾層、氣化層、燃燒層和熔渣層[5-7]。氣化爐燃燒層是氣化反應區(qū)，中心燃燒區(qū)溫度達到1 700～2 000 ℃，氣化后形成的液態(tài)熔渣在氣化爐錐形渣池內聚集并形成一定高度的液態(tài)熔渣[8]，液態(tài)熔渣流入水中后激冷成2～3 mm的玻璃態(tài)渣。

圖1 氣化爐氣化過程簡圖

渣池液位依靠熔渣的表面張力和排渣口處燒嘴燃燒火焰張力托住，當液態(tài)渣位達到設定高度時自動觸發(fā)啟動排渣程序，通過排渣控制系統將液態(tài)熔渣間斷排出氣化爐，液態(tài)渣在激冷室中經水激冷碎裂成2～3 mm的玻璃態(tài)渣，玻璃態(tài)渣通過渣鎖收集后間斷排出系統。氣化爐液態(tài)排渣系統如圖2所示。

圖2 氣化爐液態(tài)排渣系統

2 影響液態(tài)熔渣氣化爐熔渣的主要因素

影響液態(tài)熔渣氣化爐熔渣品質的因素較多，包括原料煤品質、汽氧比、排渣口火焰溫度、排渣順控的參數設置及操作工經驗等[9-10]。為了更好的掌握氣化爐排渣控制影響的因素，筆者從以下幾個方面進行逐一分析。

2.1 原料煤品質對氣化爐熔渣的影響

原料煤中的CaO含量直接影響液態(tài)渣的流動性，石灰石配比是影響液態(tài)排渣最關鍵的因素，適宜的石灰石配比可確保液態(tài)渣灰熔融溫度大幅度降低，讓液態(tài)渣保持良好流動性。如果煤質發(fā)生變化，特別是灰分變化時石灰石配比要及時調整，灰分增加石灰石配比也要適當提高?；曳纸档褪沂浔纫鄳獪p少，而石灰石配比調整是否合適還要結合最后液態(tài)渣組分分析決定。液態(tài)渣在取樣分析后可以看到CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO各自的含量。其中最重要的數據就是CaO占比，如果CaO占比在35%～40%說明石灰石配比合適。如果渣樣分析數據中CaO占比低于35%說明石灰石配比偏低，如果渣樣分析數據中CaO占比大于40%說明石灰石配比偏高。石灰石配比調整要堅持小幅度多次調整，不要一次快速調整，避免對排渣操作產生不利影響，緩慢將石灰石配比調整到目標區(qū)間后有利于排渣穩(wěn)定。

某公司液態(tài)熔渣氣化爐采用褐煤塊煤為原料，與氣化劑燃燒反應后，煤氣通過氣化爐上部送到后續(xù)工序處理，燃剩的液態(tài)渣主要成分為CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO[11]，根據氣化爐運行工況收集數據和分析總結，正常工況爐渣分析數據見表1。

表1 液態(tài)熔渣氣化爐正常工況爐渣分析數據(平均值)

原料煤品質對氣化爐熔渣的影響主要表現在原料煤的灰分上，原料煤灰分波動大時將導致氣化爐熔渣不穩(wěn)定。幾組典型的原料煤分析數據見表2，熔渣分析數據見表3，由表2煤質分析數據對應表3熔渣分析數據可看出，煤質的波動對煤渣熔融溫度影響較小，但由灰渣黏度相圖可發(fā)現，在助熔劑石灰石添加量一定的情況下，SiO2含量對熔渣黏度影響非常大[12-13]，SiO2含量超過40%時，其含量越高，渣的黏度越大，1 400 ℃及Al2O310%條件下渣黏度與CaO-SiO2的關系如圖3所示。

表2 典型的原料煤分析數據

表3 熔渣分析數據

圖3 1 400 ℃，Al2O3 10%條件下渣黏度與CaO-SiO2的關系[5]

2.2 燒嘴火焰溫度的影響

燒嘴火焰溫度對液態(tài)熔渣氣化爐排渣的影響也至關重要，燒嘴火焰溫度直接影響到液渣的渣溫及液渣的流動性。燒嘴的作用是提高排渣口處液渣的溫度，讓其保持較高溫度和良好的流動性?；鹧鏈囟雀邥挂簯B(tài)渣的黏度下降，流動性增強，能保證渣池內積累的液渣達到正常液位49 KPa時及時排出，不在爐膛內造成積累，不會因為渣池上移引起火層上移，造成氣化爐溝流及偏燒等影響氣化爐的穩(wěn)定運行。 但過高的火焰溫度容易造成灰渣中單質鐵的析出，進而堵塞氣化爐的排渣口，造成排渣不暢。另外火焰溫度過高容易損壞支撐板和下渣口，縮短設備使用周期。當火焰溫度過低會導致排渣口處的渣溫降低黏度下降流動性變差，存在堵塞下渣口的風險。根據現場運行數據分析，燒嘴火焰溫度控制在1 700～1 750 ℃最為適宜。

2.3 汽氧比對氣化爐熔渣的影響

液態(tài)熔渣氣化爐的汽氧比設計控制范圍在0.7～1.22 kg/Nm3，汽氧比越高，爐內所能達到的最高溫度就越低，渣池溫度隨著降低，渣黏度增大不易排渣，同時水蒸汽的耗量相對增大，水蒸汽分解率也相對降低，氣化爐出口煤氣中CO2和CH4含量增加，有效氣CO和H2含量下降，不利于合成氨原料氣的生成。

相反，汽氧比小則會使燃燒反應加劇，氣化爐內溫度升高，出口煤氣中的CO和H2含量增加，CO2和CH4含量降低。蒸汽分解率增加，蒸汽消耗量相對減少，但渣池溫度會升高，造成熔渣析出單質鐵，容易堵塞下渣口造成氣化爐停車。

據文獻表明高溫熔渣中極易析出單質鐵[14]，當CO濃度大于25%、熔渣溫度大于1 350 ℃時，極易析出單質鐵，溫度越高，單質鐵析出越多。

液態(tài)熔渣氣化爐渣池內爐渣的溫度由汽氧比確定[15]，汽氧比與渣池溫度關系如圖4所示，汽氧比越低渣池溫度越高。而液態(tài)熔渣氣化本身含大量還原性氣體CO，如果控制過低汽氧比，熔渣中鐵越容易析出，由于鐵的密度大、導熱性遠優(yōu)于液態(tài)熔渣，導致單質鐵下沉易在下渣口處被冷卻凝固，堵塞排渣口，導致排渣不暢。

圖4 汽氧比與渣池渣溫度關系

開車初期汽氧比控制0.75 kg/Nm3時及排渣口被積鐵堵塞的排渣工況渣樣如圖5所示，汽氧比控制0.90 kg/Nm3時的渣樣圖片如圖6所示。根據歷次運行發(fā)現，在汽氧比控制較低時渣池壓差波動很大，渣池液位不穩(wěn)定，控制難度增加調整頻繁，極易在排渣時導致下渣口堵塞而被迫停車。

圖6 汽氧比控制0.90 kg/Nm3時的渣樣

2.4 排渣參數控制

液態(tài)熔渣氣化爐排渣參數主要有禁止排渣時間T1，排渣等待時間T2和排渣時間T3，以及燃燒煙氣排放泄壓閥預置開度。在T1開始計時至T1時間結束禁止排渣，T2時間開始計時當渣池壓差達到預設值時提示報警自動排渣，如果T2時間內未達到排渣壓差預設值，T2結束時也必須啟動排渣程序，每次排渣時間為T3。

設置T1時間過長或T3時間過短，易導致排渣量不足而使渣池上漲，燃燒煙氣泄壓閥預置開度過小，會導致排渣量不足；反之T1時間過短或T3時間過長易導致排渣過量，熔渣不能很好的熔融，造成渣池波動大，燃燒尾氣泄壓閥預置開度過大會導致排渣過量。

3 熔渣氣化爐排渣控制要點

3.1 控制液態(tài)熔渣的黏度

液態(tài)熔渣黏度主要通過向原料煤中配入石灰石來調整熔渣黏度[16-17]，根據運行經驗將熔渣黏度控制1～3 Pa·s為宜，由表3可知，將熔渣中CaO含量控制38%～42%時，黏度最低[18]，且可適應灰分波動較大的煤質[19]。

3.2 汽氧比控制

汽氧比控制0.88～0.92 kg/Nm3為宜，通過定期觀察熔渣顏色進行微調[20]。氣化爐在切汽氧運行開始排渣后，如果液態(tài)熔渣的顏色較暗、黏度較大，可將汽氧比逐漸降低，最低不能低于0.88 kg/Nm3，熔渣的顏色夠亮則維持汽氧比不變。

汽氧比的調整依據主要是根據渣溫來進行調整，如果渣溫太高(即渣的顏色鮮亮)，渣的黏度較低(流動性很好)或者鐵從渣中分離的較多，汽氧比應該增加。相反地，如果渣溫太低，就需使用額外火焰以清除排渣口的部分堵塞，同時，在排渣時就可以觀察到渣黏度高的狀態(tài)。

3.3 排渣參數的控制

3.3.1初次排渣的下渣控制

初次排渣設定下渣順控T1為150～200 s，T2為200 s，T3為20～28 s，排渣壓差控制閥SP為18 kPa，下渣控制閥的預設開度為75%，激活排渣壓差為45 kPa，停止排渣壓差為-6.9 kPa。允許操作人員調整參數T2、T3和下渣控制閥預設開度，以盡量確保下渣控制閥在18 kPa附近，避免排渣壓差降得過低或降至負值。

氣化爐在切入汽氧運行后首次排渣的依據為有熔渣從排渣口連續(xù)滴落、壓差高于45 kPa且比較穩(wěn)定，參考依據如下：① 切汽氧后3～5 h；② 排渣壓差達到45 kPa以上且床層溫度逐漸上漲；③ 鼓風口由“點亮”到“黑管”。當觀察排渣口有大量渣連續(xù)滴落且壓差較穩(wěn)定時則嘗試進行手動排渣操作，使用手動模式嘗試排渣20 s，如果成功，將排渣系統投自動，繼續(xù)觀察排渣是否正常。第2次下渣則根據渣量及排渣壓差調整排渣參數，排渣初期每次盡量少排渣以逐漸建立渣池液位，排渣期間密切關注下渣情況及渣池壓差情況，防止液態(tài)渣排空的情況出現。

3.3.2穩(wěn)定運行期間的下渣控制

禁止排渣時間T1為100～200 s，允許排渣時間T2為0～600 s，下渣時間T3為20～45 s，T3和預置開度可根據排渣情況進行小幅調整，激活排渣壓差原則設定值為40～55 kPa，根據現場排渣情況、鼓風口視鏡明亮程度，持續(xù)亮的時間進行調整，控制渣池壓差在40～49 kPa，一旦超出范圍要及時人為干預調整排渣參數，確保氣化爐建立正常的渣池液位，液態(tài)熔渣氣化爐各位置高度對應的渣池液位如圖7所示。

圖7 氣化爐渣池壓差對應的液渣高度

在觀察燒嘴火焰時，若發(fā)現燒嘴火焰中帶有火星、煤塊或下渣量較少、下渣比較細，說明渣池內液態(tài)渣液位過低，需立即調整T1、T2、T3降低排渣頻率，燒嘴標準火焰氧氣流量每次提高10 Nm3/h，燒嘴額外火焰氧氣流量每次提高5 Nm3/h，待排渣正常10 min后，將T1、T3、T2恢復至先前的運行值。

排渣壓差突然上漲多為熔渣黏度變化引起，遇到此種情況應適當延長T1時間，對難熔物進行熔融，而非加強排渣，否則極易導致氣化爐排渣口堵塞，嚴重時會導致排渣口燒嘴熄火停車，趨勢線為排渣過量，渣口堵塞導致停車的渣池壓差趨勢如圖8所示。 若氣化爐長期排渣不暢則導致渣池壓差上漲，當熔渣淹至鼓風口附近時，氣化爐壁溫會上漲；若氣化爐渣池液位繼續(xù)上漲淹沒鼓風口時則伴隨氣化爐床層壓差的上漲，在氣化爐運行期間要綜合參考氣化爐壁溫、床層壓差、渣池壓差、排渣口排渣情況等參數及時對排渣設置參數進行調整。

圖8 渣口堵塞導致停車的渣池壓差趨勢

液態(tài)熔渣氣化爐穩(wěn)定運行期間下渣時間控制原則為：禁止排渣時間T1為120～200 s，允許排渣時間T2為100 s，下渣時間T3為30～40 s，T3和預置開度可根據排渣情況進行小幅調整，激活排渣壓差設定值為45 kPa。

3.4 排渣口火焰溫度

排渣口火焰溫度控制在1 700～1 750 ℃為宜，溫度過高，會導致熔渣析鐵，當排渣口有難熔渣堵塞時，可適當提高排渣口火焰溫度，將火焰溫度控制1 800～1 850 ℃，但時間不能太長，隨時根據排渣口排渣情況進行調整。

如果運行期間火焰有向下燒的趨勢，說明下渣口有難熔渣塊堵塞排渣口的跡象，需將下渣火焰切換為額外火焰來提高煙氣溫度使渣塊熔化，避免下渣口堵塞加??；如果火焰狀態(tài)恢復正常，在額外火焰運行1 h后可切換為標準火焰，切換時觀察排渣是否順暢，否則適當延長額外火焰的運行時間。

3.5 通過渣樣判斷氣化爐工況

對于液態(tài)熔渣氣化爐工況的判斷，觀察激冷后排出熔渣形態(tài)不失為1種較為直觀的判斷方式，以下介紹幾種典型工況下的爐渣形態(tài)。

3.5.1氣化爐正常工況時爐渣渣樣

氣化爐正常工況時的爐渣如圖5所示,爐渣呈翠綠色玻璃狀晶體,直徑約為2～3 mm,且較均勻。

3.5.2幾種工況時爐渣渣樣及成因分析

渣溫較低時的爐渣如圖9所示,其粒徑較大且不均勻,主要原因為渣溫較低、黏度較大,從而易導致爐渣在激冷過程中形成粒徑分布不均勻的爐渣。

圖9 渣溫較低時的爐渣

石灰石添加過量時爐渣如圖10所示，其粒徑較大，且夾雜有灰色，主要原因為助溶劑石灰石添加過量或不均勻導致。

圖10 石灰石添加過量時爐渣

渣溫過高時的爐渣如圖11所示，其粒徑較小，且末狀細渣，主要原因是渣溫過高所致。

圖11 渣溫過高時的爐渣

工況一經確認即調整對應的參數，進行糾偏使渣池逐步恢復至健康狀況，確保氣化爐安全穩(wěn)定的運行，實現液態(tài)熔渣氣化爐的長周期穩(wěn)定運行。

4 結 論

針對目前國內液態(tài)熔渣氣化爐運行10多年的經驗積累，筆者對熔渣特性的影響因素、液態(tài)熔渣的控制機理、控制途徑以及控制方法進行分析，得到結論如下：

(1)液態(tài)渣的流動性受原料煤CaO含量的影響，通過液態(tài)熔渣氣化爐運行經驗得出CaO含量控制在35%～40%可大幅降低液態(tài)渣灰熔融溫度，并可將熔渣黏度控制在1～3 Pa·s，提高了液態(tài)渣的流動性。

(2)燒嘴火焰溫度可提高排渣口處液渣的溫度，影響液渣的黏度及流動性，正常工況下，渣池壓差控制在49 KPa，燒嘴火焰溫度控制在1 700～1 750 ℃之間，液渣流動性最佳。

(3)渣池內爐渣的溫度由汽氧比確定，汽氧比低會使燃燒反應加劇，氣化爐內溫度升高，出口煤氣中的CO和H2含量增加，還原性CO會將灰渣中的氧化鐵還原成單質鐵，造成下渣口堵塞，氣化爐停車。汽氧比控制可通過熔渣顏色進行判斷，根據大量運行數據得出，汽氧比控制在0.88～0.92 kg/Nm3為宜。

(4)液態(tài)熔渣氣化爐穩(wěn)定運行期間下渣時間控制原則為：禁止排渣時間T1為120～200 s，允許排渣時間T2為100 s，下渣時間T3為30～40 s，T3和預置開度可根據排渣情況進行小幅調整，激活排渣壓差設定值為45 kPa，使渣池壓差控制在47～49 kPa。在氣化爐運行期間，要綜合參考氣化爐壁溫、床層壓差、渣池壓差、排渣口排渣情況等對排渣參數進行調整。