馬萬里，劉海建，樊 崇

（1．新能能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯014300；2.SES-綜合能源系統(tǒng)公司，上海200030）

引 言

高灰劣質(zhì)煤在我國(guó)煤炭資源中占比較大[1-2]，隨著能源的日益緊缺，對(duì)該類煤的清潔高效利用意義越來越重大。煤氣化是清潔高效利用煤炭的有效方式，但由于高灰劣質(zhì)煤灰分高、發(fā)熱量低，不適合采用傳統(tǒng)的氣化工藝，開發(fā)適用于該類煤種的氣化工藝一直都是煤炭加工行業(yè)的重要課題[3]。凌開成等[4]以CO2為氣化劑，研究了幾種礦物成分在高灰煤氣化時(shí)的催化作用。B.B.HATTINGH等[5]對(duì)3種南非高灰煤進(jìn)行了氣化研究，初步探明了高灰煤的氣化活性與堿金屬含量及堿性指數(shù)的關(guān)系。此外，Y.KORCHEVOY等[6]開發(fā)了適用于高灰煤的加壓流化床燃燒/氣化技術(shù)以及其與褐煤混合燃燒/氣化技術(shù)。近年來，新奧集團(tuán)也研發(fā)出了煤催化氣化技術(shù)，可以較好地轉(zhuǎn)化低活性的高灰劣質(zhì)煤，目前正開展工業(yè)試驗(yàn)。但總體來看，高灰煤氣化的相關(guān)研究仍較少，大規(guī)模工業(yè)化氣化的案例和技術(shù)報(bào)道更是少見。

U-GAS氣化是由美國(guó)煤氣工藝研究所（IGT）開發(fā)的單段粉煤流化床氣化技術(shù)。該氣化技術(shù)以末煤為原料，以水蒸氣或二氧化碳為氣化劑，在適當(dāng)氣速下使床層中的粉煤沸騰，并發(fā)生強(qiáng)烈返混，可實(shí)現(xiàn)氣、固兩相的充分混合。同時(shí)，由于流化床傳熱、傳質(zhì)速率快，主要?dú)饣磻?yīng)區(qū)域內(nèi)的溫度均勻，因而該技術(shù)理論上可用于高灰分煤種的氣化[7]。繼埃新斯（棗莊）新氣體有限公司甲醇裝置引進(jìn)該技術(shù)并于2008年投產(chǎn)運(yùn)行之后，義馬煤業(yè)綜能新能源有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱義煤綜能公司）30萬t/a甲醇項(xiàng)目一期于2009年引進(jìn)了U-GAS氣化技術(shù)，并成功實(shí)現(xiàn)了當(dāng)?shù)亓淤|(zhì)高灰煤的高效轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生了較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

義煤綜能公司30萬t/a甲醇項(xiàng)目一期的U-GAS氣化裝置是世界首套采用中壓U-GAS流化床氣化工藝的氣化裝置，由克萊德噴煤系統(tǒng)、氣化爐與旋風(fēng)回料系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、熱回收系統(tǒng)和陶瓷除塵水洗凈化系統(tǒng)構(gòu)成。該項(xiàng)目設(shè)置了3臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的U-GAS氣化爐，2開1備，投煤量為120 t/h，日產(chǎn)合成氣500萬m3，氣化壓力為1.0 MPa，氣化溫度900℃，副產(chǎn)3.82 MPa過熱蒸汽。裝置于2013年正式投產(chǎn)運(yùn)行以來，經(jīng)過多次技術(shù)改造，突破多項(xiàng)技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，現(xiàn)對(duì)該裝置氣化工藝的調(diào)整優(yōu)化過程進(jìn)行探討，以期為我國(guó)高灰煤的氣化轉(zhuǎn)化提供借鑒。

1 義馬高灰劣質(zhì)煤的性質(zhì)分析

義煤綜能公司U-GAS氣化裝置設(shè)計(jì)使用義馬躍進(jìn)煤作為原料，原料煤的元素分析見表1，工業(yè)分析與煤灰熔融特性見表2，粒度分布見表3。

表1義馬典型高灰劣質(zhì)煤元素分析%

表2義馬典型高灰劣質(zhì)煤工業(yè)分析與煤灰熔融特性

表3義馬典型高灰劣質(zhì)煤入爐粒度分布%

2 高灰劣質(zhì)煤在U-GAS中壓流化床氣化爐中運(yùn)行的工藝控制要點(diǎn)

2.1 氣化爐點(diǎn)火升溫

氣化爐在升溫過程中，要嚴(yán)格控制升溫速率。升溫速率過快，一方面會(huì)導(dǎo)致耐火澆注料保溫層出現(xiàn)裂紋、脫落等現(xiàn)象，另一方面還會(huì)導(dǎo)致氣化爐、旋風(fēng)分離器、煤氣出口管道等大型設(shè)備的熱應(yīng)力過大，損壞設(shè)備；而升溫速率過慢，會(huì)增加升溫時(shí)間及資源成本。

在生產(chǎn)過程中，可通過調(diào)節(jié)空氣和燃?xì)獾呐浔葋砜刂茪饣癄t的升溫速率，保證300℃以下升溫速率30℃/h，300℃～500℃升溫速率50℃/h，500℃以上升溫速率80℃/h。

2.2 流化床的建立

對(duì)于U-GAS中壓流化床開車階段來說，建立床層是重要的環(huán)節(jié)。流化床的建立主要包含兩個(gè)過程，一是物料的積累，二是氣化爐內(nèi)部熱量的積蓄。因高灰劣質(zhì)煤揮發(fā)分較高，當(dāng)氣化爐溫度超過450℃時(shí)，即可投煤建立床層。在保證氣化爐溫度逐步升高的前提下，盡可能加大進(jìn)煤量，以最快的速度建立床層。

建立床層初期，氣化爐的進(jìn)氣量控制在1 000 m3/h～1 200 m3/h。隨著物料的積累，應(yīng)逐漸增大氣量到3 000 m3/h～3 500 m3/h，這樣不僅可以減少粉煤的帶出量，而且可以減少過程中的熱損失，使得床層能夠迅速建立。通常在進(jìn)煤量為6 t/h的情況下，用時(shí)3 h即可建立起750℃左右、壓差8 kPa～10 kPa的氣化爐床層，滿足后續(xù)陶瓷除塵水洗凈化系統(tǒng)的投用條件。

2.3 陶瓷裝置的切入

在氣化爐溫度750℃～800℃、床層壓差7 kPa～10 kPa、后續(xù)工段余熱鍋爐出口溫度200℃條件下，陶瓷除塵水洗凈化裝置置換合格、溫度達(dá)標(biāo)，即可將其切入系統(tǒng)使用，收集粗煤氣中的飛灰。

2.4 氣化爐退出點(diǎn)火裝置

在陶瓷裝置切入后，應(yīng)立即通過文丘里蒸汽抽負(fù)壓裝置將氣化爐抽成微負(fù)壓，將氣化爐升溫裝置開工點(diǎn)火槍抽出氣化爐。該過程用時(shí)大約1 h，床層壓差下降2 kPa～3 kPa，爐溫基本保持不變；如果用時(shí)過長(zhǎng)，將導(dǎo)致床層壓差下降較多、爐溫降低等情況的發(fā)生，進(jìn)而可能導(dǎo)致抽槍后床層內(nèi)的煤不能燃燒、爐溫回升困難甚至導(dǎo)致需重新裝入點(diǎn)火槍的情況發(fā)生。該過程存在較大的危險(xiǎn)，技術(shù)難度大，因此必須保證人員組織到位、準(zhǔn)備工作充分、行動(dòng)迅速。

2.5 空氣模式運(yùn)行及切氧

在氣化爐退出點(diǎn)火裝置后，應(yīng)迅速提高爐溫，并加煤，在原床層高度基礎(chǔ)上繼續(xù)建立積累床層，然后逐步退空氣、加蒸汽、加氧氣的操作，將氣化爐運(yùn)行模式切換至氧氣運(yùn)行模式，為產(chǎn)出合格合成氣做好準(zhǔn)備。

2.6 系統(tǒng)升壓

切氧操作后，緩慢提高氣化爐操作壓力至生產(chǎn)要求壓力（0.8 MPa～1.0 MPa）。

2.7 合格工藝煤氣外供及正常運(yùn)行

氣化爐壓力升至生產(chǎn)要求壓力、工藝煤氣經(jīng)化驗(yàn)合格后，即可切入后續(xù)工段。逐漸調(diào)整氣化爐運(yùn)行工況，按照設(shè)計(jì)運(yùn)行值操作，即氣化爐壓力0.8 MPa～1.0 MPa、氣化爐溫度900℃～950℃（低于灰熔融性溫度200℃～250℃操作，防止煤灰熔融結(jié)渣）、床層壓差30 kPa～35 kPa。

3 工藝條件的優(yōu)化控制

3.1 噸煤蒸汽耗量對(duì)噸煤粗煤氣產(chǎn)量的影響

在噸煤耗氧量為230 m3～280 m3（氧煤比0.23 m3/kg～0.28 m3/kg）時(shí)，選取實(shí)際生產(chǎn)過程中氣化爐的運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析噸煤粗煤氣產(chǎn)量與噸煤蒸汽耗量的關(guān)系，結(jié)果見圖1。

由圖1可以看出，噸煤粗煤氣產(chǎn)量與噸煤蒸汽耗量基本呈線性關(guān)系，當(dāng)噸煤蒸汽耗量為550 kg～600 kg時(shí)，煤氣產(chǎn)量為2 000 m3/t～2 100 m3/t，此運(yùn)行工況達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

3.2 水煤比對(duì)粗煤氣有效氣含量的影響

在噸煤耗氧量為230 m3～280 m3工況下，研究了水煤比對(duì)粗煤氣中有效氣（CO+H2）含量的影響，結(jié)果見圖2。

圖1噸煤粗煤氣產(chǎn)量與噸煤蒸汽耗量的關(guān)系

圖2水煤比對(duì)粗煤氣中有效氣（CO+H2）含量的影響

從圖2可以看出，有效氣含量隨著水煤比的增加先增加后降低，在水煤比為0.55 kg/kg～0.58 kg/kg時(shí)，有效氣體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)62%。

3.3 氧煤比對(duì)粗煤氣有效氣含量的影響

在噸煤蒸汽耗量為550 kg～580 kg（即水煤比為0.55 kg/kg～0.58 kg/kg）工況下，研究了氧煤比對(duì)粗煤氣中有效氣含量的影響，結(jié)果見圖3。

圖3氧煤比對(duì)粗煤氣中有效氣含量的影響

從圖3中可以看出，氧煤比對(duì)有效氣含量的影響較小，因而在選定氧煤比的工藝控制值時(shí)，可不需考慮氧煤比對(duì)煤氣組成的影響，而只需基于成本因素，控制氧煤比盡量小一些。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，氧煤比在0.23 m3/kg～0.28 m3/kg時(shí)，氣化溫度可達(dá)900℃，可保證高灰劣質(zhì)煤具有較好的氣化活性，也可避免氣化爐結(jié)渣。

4 義煤綜能公司U-GAS氣化裝置運(yùn)行情況

義煤綜能公司U-GAS氣化裝置自2013年建成投產(chǎn)以來，經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化和運(yùn)行工況調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了高灰劣質(zhì)煤氣化的連續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行，碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到95%以上，旋風(fēng)分離器效率80%左右，通過U型返料閥可實(shí)現(xiàn)飛灰正常返爐利用，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，加煤、排渣等系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。此外，還進(jìn)行了多個(gè)煤種試燒試驗(yàn)，結(jié)果表明該氣化爐的適用煤種廣，對(duì)原料煤的機(jī)械加工要求低，粒度在20 mm以下的混煤均可直接使用。

但該技術(shù)也存在一些不足，比如排渣過程中的飛灰污染、排渣系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行問題、粗合成氣中飛灰含量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)指標(biāo)等，后續(xù)需不斷的進(jìn)行技改優(yōu)化，解決相關(guān)問題。

5 結(jié) 語(yǔ)

義煤綜能公司采用U-GAS氣化爐成功實(shí)現(xiàn)了義馬本地高灰劣質(zhì)煤的氣化轉(zhuǎn)化，在氧煤比為0.23 m3/kg～0.28 m3/kg、水煤比為0.55 kg/kg～0.58 kg/kg時(shí)，產(chǎn)出合成氣中的有效氣體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)62%；考慮到氧煤比對(duì)粗合成氣中有效氣含量的影響較小，可根據(jù)工況適當(dāng)降低氧煤比，以節(jié)約成本。經(jīng)過幾年來的生產(chǎn)運(yùn)行，義煤綜能公司利用當(dāng)?shù)馗呋伊淤|(zhì)煤生產(chǎn)化工產(chǎn)品，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，表明U-GAS氣化工藝可用于高灰劣質(zhì)煤的氣化，為我國(guó)儲(chǔ)量較大的高灰劣質(zhì)煤高效利用提供了一條較好的工藝路線選擇。