崔曉健

[摘 要]煤的高效、潔凈轉(zhuǎn)化是中國能源利用的發(fā)展方向，煤氣化技術(shù)作為煤化工行業(yè)的一種高效潔凈的關(guān)鍵技術(shù)，越來越受到人們的重視。大型煤氣化工藝主要包括三種：固定床煤氣化技術(shù)、流化床煤氣化技術(shù)和氣流床煤氣化技術(shù)，其中最先進(jìn)的煤氣化工藝是氣流床煤氣化工藝。本文針對氣流床煤氣化工藝中存在的問題進(jìn)行了分析和探討，為氣流床煤氣化工藝的改進(jìn)提供思路。

[關(guān)鍵詞]水煤漿氣化；干煤粉氣化；噴嘴；氣化爐；耐火磚

中圖分類號：S687 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）16-0048-01

引言

大型煤氣化工藝中以氣流床煤氣化工藝較為先進(jìn)的技術(shù)。氣流床煤氣化工藝主要分為干煤粉氣化工藝和水煤漿氣化工藝兩大類，其中干煤粉氣化工藝以SHELL氣化技術(shù)為代表，水煤漿氣化工藝工業(yè)應(yīng)用普遍的是GE氣化技術(shù)。氣流床煤氣化工藝中氣化爐是影響工藝穩(wěn)定運(yùn)行的重要設(shè)備，現(xiàn)有的干粉煤氣化技術(shù)和水煤漿氣化技術(shù)均存在許多運(yùn)行問題。根據(jù)目前工藝運(yùn)行狀況，將氣流床煤氣化工藝問題主要分為三大類：水煤漿氣化工藝的存在問題，干煤粉氣化工藝的存在問題，水煤漿和干煤粉氣化工藝共同的存在問題。本文主要介紹了氣流床煤氣化工藝中存在的問題，并進(jìn)行了分析和探討，為氣流床煤氣化工藝的技術(shù)改進(jìn)提供思路。

1.水煤漿氣化工藝氣化爐存在問題及其原因

1.1 水煤漿氣化工藝氣化爐存在問題

水煤漿氣化工藝中氣化爐大部分采用的是三通道或五通道的氣化噴嘴，其氣化噴嘴的工作原理都是利用氣化劑的高速流動將水煤漿流破碎為小液滴，同時兩者盡量混合均勻。目前供貨廠家生產(chǎn)的噴嘴的使用壽命均很短，壽命少則50d，多則90d；例如南京某公司使用的編號為Z3201A的噴嘴平均使用壽命只有50d，這嚴(yán)重影響了化工生產(chǎn)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，造成生產(chǎn)成本的增加；同時，氣化噴嘴的維護(hù)費(fèi)用占整個氣化爐維護(hù)成本的一半左右，可見研究開發(fā)壽命長的噴嘴至關(guān)重要。

其次，耐火磚壽命短的問題是水煤漿氣化工藝中另一個亟待解決的難題，使用壽命多在1a左右。耐火磚壽命短的主要原因是由于煤氣化爐內(nèi)長期維持高溫高壓以及復(fù)雜的氣液固三相共存。但更換耐火磚需要停產(chǎn)，且所需停產(chǎn)時間較長，對于工廠的連續(xù)化作業(yè)和生產(chǎn)效益帶來了不小的影響。

1.2 氣化噴嘴與耐火磚壽命問題的原因

氣化噴嘴和耐火磚工作環(huán)境溫度高達(dá)1400℃、壓力在6.5MPa左右，同時存在著腐蝕性氣體如硫化氫等化合物以及高還原性氣體如氫氣和一氧化碳等。噴嘴內(nèi)部為氧氣和水煤漿混合高速流體，噴嘴的出口和冷卻水底部夾套直接與高溫氣體接觸，這樣就導(dǎo)致噴嘴在受到內(nèi)部高速流體的摩擦的同時，還要受到噴嘴內(nèi)外溫差高達(dá)上千度所引起的熱應(yīng)力以及還原性氣體和腐蝕性氣體相互作用的化學(xué)效應(yīng)的疊加影響，噴嘴長時間運(yùn)行其外部會逐漸出現(xiàn)裂痕、縫隙。同時這些裂痕和縫隙又為高腐蝕性和高還原性氣體的化學(xué)反應(yīng)提供場所，隨著氣化爐長時間的進(jìn)行，使得縫隙越來越大，裂縫交叉又會造成噴嘴頂端的換熱部件脫落，最終導(dǎo)致噴嘴不能正常工作。

由于耐火磚是直接接觸反應(yīng)體系的保溫材料，在氣化爐運(yùn)行過程中，部分耐火磚會直接受到噴嘴流下的高速流體的沖刷；同時耐火磚上不可避免的殘留部分的爐渣，隨著爐渣的積攢，爐渣中的含炭化合物會慢慢侵蝕到耐火磚內(nèi)部，與耐火磚內(nèi)的某些成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成耐火磚表面出現(xiàn)變脆、脫皮和脫落的現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象都會造成耐火磚壽命縮短。

2.干煤粉氣化工藝氣化爐存在問題及原因

2.1 干煤粉氣化工藝氣化爐存在問題

干煤粉氣化工藝的氣化爐大部分都是水冷壁技術(shù)，水冷壁技術(shù)的工作原理是采用“以渣坑渣”的方式，即熔融態(tài)的灰渣與水冷壁接觸后，由于存在換熱溫差，熔融態(tài)灰渣會冷卻凝固并附著在水冷壁上，導(dǎo)致傳熱阻力也會發(fā)生變化并逐漸增大，當(dāng)水冷壁上附著的灰渣增加到一定厚度時，灰渣向外傳遞熱量的速率會小于灰渣接收熱量的速率，此時，熔融態(tài)灰渣在水冷壁上繼續(xù)向下流淌的同時實現(xiàn)了均勻掛載，這樣就起到保護(hù)水冷壁的又能起到維持氣化爐溫度的作用。然而，氣化爐內(nèi)部是處于管流、旋流、射流和回流等多種復(fù)雜流動形態(tài)的流體環(huán)境中，使得氣化爐壁的熱通量增大，從而嚴(yán)重影響氣化爐的換熱性能和運(yùn)行性能。另外，粗合成氣中不可避免地攜帶有大量的灰，這部分灰極易黏在氣化爐壁和管道內(nèi)壁上，造成激冷裝置、氣化爐口及管道積灰甚至堵塞的現(xiàn)象，從而有可能引發(fā)嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。

2.2 干煤粉氣化爐問題產(chǎn)生的原因

干煤粉氣化工藝的氣化爐出現(xiàn)的水冷壁上掛渣不均勻的問題除了與氧煤比、水蒸汽用量和干煤粉灰分含量等外部因素有關(guān)，最重要的是氣化爐各處的水冷壁是處于不同流動形態(tài)的局部小環(huán)境中，而每一處小環(huán)境中的不同流動區(qū)域內(nèi)流體的物質(zhì)組成和含量也不同，這些成分和含量的不同會導(dǎo)致各處水冷壁傳熱阻力的也不同，掛在水冷壁上的灰渣也就隨之發(fā)生相應(yīng)變化。隨著氣化爐長時間運(yùn)行，造成熱通量也持續(xù)高位，不僅造成能耗的增加，而且給爐溫的控制也帶來了不小的難題，更有可能導(dǎo)致水冷壁無法正常運(yùn)行從而出現(xiàn)停車事故。

高溫高壓下灰分是以小液滴形式存在，具有滴定黏性，粗合成氣輸送過程中及其容易包裹灰分小液滴，灰分小液滴在經(jīng)過激冷設(shè)備、管壁爐壁和爐口等溫度比較低的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)備時，灰分會迅速凝固且粘連在壁面上；此外小液滴流動的同時會產(chǎn)生很多的滯留區(qū)，而這些滯留區(qū)極易使灰聚集附著，使得管路的截面面積越來越小，最終導(dǎo)致堵塞。

3.部分水煤漿和部分干煤粉氣化工藝存在的共同問題及原因

3.1 部分水煤漿和部分干煤粉氣化工藝存在的共同問題

現(xiàn)有的氣流床氣化工藝中都會不可避免的產(chǎn)生大量灰渣，灰渣可分為粗灰渣和細(xì)灰渣兩類。研究發(fā)現(xiàn)，灰渣中含有大量可燃物且可燃性也較高；根據(jù)文獻(xiàn)報道，細(xì)灰渣的炭元素含量達(dá)到了36%，而細(xì)灰渣中可燃物含量更是高達(dá)50%以上。由此可見氣流床氣化工藝中還存在碳轉(zhuǎn)化率低的問題。

3.2 形成問題的原因

現(xiàn)有氣流床煤氣化工藝中氣化爐灰渣在快速向下流動過程中，不僅出現(xiàn)了煤粉未參與反應(yīng)就被帶出氣化爐，而且存在部分煤粉反應(yīng)不完全先現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可能與噴嘴的收縮角角度設(shè)計的偏小，煤顆粒粒度過大，操作溫度和操作壓力過小以及停留時間過短等因素有關(guān)。

4.結(jié)語

現(xiàn)有的氣流床煤氣化工藝主要存在的問題有：水煤漿氣化工藝中的高溫高壓且存在腐蝕氣體和高還原性氣體的復(fù)雜環(huán)境造成氣化爐噴嘴和耐火磚使用壽命極短；干煤粉氣化工藝的氣化爐水冷壁會出現(xiàn)的掛渣不均勻和粗合成氣帶灰的問題；兩種氣化工藝均存在著碳轉(zhuǎn)化低的問題。針對現(xiàn)有的氣流床煤氣化工藝中存在技術(shù)和設(shè)備等方面的不足，提出幾點(diǎn)建議：運(yùn)用CFD數(shù)值模擬軟件對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)；重新開發(fā)停留時間短、耐溫更高、耐壓更大的氣化爐；在煤中添加添加劑使燃燒溫度降低，從而降低了對氣化設(shè)備的要求。

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