郭志鵬

(山西潞安煤基清潔能源有限責(zé)任公司，山西 長治 046200)

1 概述

氣流床氣化技術(shù)是當(dāng)今世界煤氣化的主流技術(shù)之一，其煤種的廣泛適應(yīng)性，高的碳轉(zhuǎn)化率和能量利用率，以及廢水處理的清潔環(huán)保性是其應(yīng)用的突出特點。氣化爐運行時長是企業(yè)實現(xiàn)降本增效的前提和基礎(chǔ)，近年來，隨著應(yīng)用和研究的不斷深入，氣化爐運行時間得到大大延長，普遍在200 d以上。但堵渣、積灰等問題仍是氣化爐長周期運行的最大瓶頸[1-3]。本文從飛灰粒度角度結(jié)合運行工況探討其對氣化爐廢熱鍋爐積灰的影響關(guān)系。

2 飛灰產(chǎn)生的機理及對氣化爐的影響

在殼牌粉煤加壓氣化工藝中，入爐煤的灰分普遍在15%～25%，這些灰分在粉煤氣化后將以無機物的形式排出。即，將排出的無機物中60%以渣的形式排出，40%以飛灰的形式排出。渣和飛灰的基本組成相同，均為SiO2和Al2O3的共融體化合物，由于經(jīng)過的排出氣化爐外的物理過程不同，導(dǎo)致二者的外觀形態(tài)有較大的區(qū)別。

粒徑為5 μm～90 μm的粉煤在純氧和高溫高壓的環(huán)境中，在極短的時間內(nèi)揮發(fā)分析出并同時氣化，緊接著在極短的時間內(nèi)碳與氧氣發(fā)生氣化反應(yīng)，代表煤中的有機質(zhì)已經(jīng)全部轉(zhuǎn)化到氣氛中。在高溫環(huán)境下(一般大于1 600 ℃)，粉煤中的無機質(zhì)已經(jīng)全部熔融為極小的液滴。按照SCGP氣化工藝特殊的工藝原理，由于粉煤的噴入方向與氣化爐在該點處的徑向有4°～6°的夾角，導(dǎo)致氣態(tài)的合成氣與液態(tài)的渣滴在氣化爐內(nèi)以旋轉(zhuǎn)的方式飛向氣化爐壁。在此過程中粒徑較大的液滴相互碰撞、再生，最后摔打在氣化爐爐壁上，以液態(tài)排渣的形式排到氣化爐外。

粒徑較小的液滴伴隨合成氣的流動方向經(jīng)過激冷段、輸氣導(dǎo)管段、氣化返混室到達廢熱鍋爐入口。此時由于受水冷壁的冷卻左右，合成氣的溫度逐步降低，由1 600 ℃降到600 ℃～680 ℃。伴隨著溫度的降低，小液滴再次凝固成固體小顆粒，形成飛灰的原始初態(tài)。飛灰伴隨合成氣經(jīng)過廢熱鍋爐的過程中，依次經(jīng)過廢熱鍋爐的四組盤管式換熱器及水冷壁，最終溫度降到300 ℃～340 ℃離開廢鍋，進入到干法除灰單元。在此過程中合成氣的飛灰會不斷地沾污積淀到換熱器盤管上，同時也有已經(jīng)積淀到盤管上的飛灰被合成氣中高速運動的飛灰顆粒磨損剝離。如果積淀速度大于剝離速度，換熱盤管表面的沾污灰層將越來越厚，換熱效率越來越低，最終將導(dǎo)致全系統(tǒng)癱瘓，裝置整體停車。如果剝離速度大于積淀速度，換熱盤管表面沒有任何飛灰層保護，同時高速的飛灰顆粒將不斷磨損換熱盤管，長期運行將導(dǎo)致?lián)Q熱盤管減薄泄漏。

在工業(yè)運行過程中，絕大多數(shù)情況室沾污速度大于剝離速度，導(dǎo)致?lián)Q熱器失效。本文通過研究發(fā)現(xiàn)，飛灰的粒度大小是決定沾污速率和剝離速率的決定性因素。

3 飛灰粒度形態(tài)的影響研究

在殼牌煤氣化工藝中，合格的粉煤粒度為5 μm～90 μm(>90%),以正態(tài)分布來統(tǒng)計粉煤的粒度，D50分布寬度為30%～70%。粉煤經(jīng)過高溫高壓的揮發(fā)分析出及有機質(zhì)燃燒后的氣化反應(yīng)，未聚合的無機質(zhì)將以較小粒度的飛灰排出。根據(jù)筆者所運行的4臺Shell氣化爐的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，典型的飛灰粒度為<1 μm的寬度為15%～22%，<5 μm的寬度為70%～80%，<15 μm的寬度為85%～92%。大量的研究表明，飛灰的粒度在10 μm時，磨蝕和沾污的速率將會達到平衡，見圖1。

圖1 粒徑范圍

通過大量的實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飛灰的粒度<15 μm的寬度大于92%時，氣化爐廢熱鍋爐將發(fā)生嚴(yán)重的積灰，廢熱鍋爐入口和出口的溫差將小于280 ℃，當(dāng)飛灰的粒度<15 μm的寬度在85%～92%時，廢鍋表現(xiàn)為整體穩(wěn)定平衡狀態(tài)，廢熱鍋爐入口和出口的溫差將維持在300°～320°左右，當(dāng)飛灰的粒度<15 μm的寬度小于80%時，廢熱鍋爐入口和出口的溫差大于320°，廢熱鍋爐表現(xiàn)為清潔沖刷作用，水冷壁將有磨蝕的風(fēng)險。

幾種典型的飛灰的粒度分布圖見圖2～圖4。

4 氣化爐長周期運行飛灰PSD控制綱要

4.1 調(diào)整入爐煤指標(biāo)

為防止飛灰大量生成堵塞換熱器通道，需改變?nèi)霠t煤的灰成分組成來改變飛灰的沾污特性。馬飛[4]、李繼炳[5]、李振珠等[6]認(rèn)為，原料煤中堿金屬和堿土金屬在氣化過程中易揮發(fā)最后富積到飛灰中，需要強調(diào)的是堿金屬和堿土金屬富積后絕大部分體現(xiàn)在飛灰的小顆粒中。所以通過改變原煤的灰成分可以改變飛灰的粒度，進而影響到飛灰的在廢鍋處的沾污。

圖2 A氣化爐A工況，表現(xiàn)為具有沾污作用的飛灰PSD分布

圖3 A氣化爐B工況表現(xiàn)為具有沾污作用的飛灰PSD分布

圖4 A氣化爐B工況表現(xiàn)為具有清潔沖刷作業(yè)的飛灰PSD分布

4.2 調(diào)整氣化劑的參與量

在Shell煤氣化工藝中，參與氣化反應(yīng)的氣化劑有氧氣、水蒸氣及二氧化碳，參與反應(yīng)的氣化劑濃度越高，粉煤氣化越徹底，飛灰的粒度越細。氣化反應(yīng)的主要氣化劑是氧氣，但調(diào)整參與反應(yīng)的氧氣的比率將直接影響到氣化爐的爐溫，為保證工況的穩(wěn)定運行，一般不通過調(diào)整氧氣比率來調(diào)整飛灰的粒度，即便調(diào)整也沒有較為明顯的效果。若原料煤是較年老的煤種，原煤中揮發(fā)分較低，固定碳較高，在穩(wěn)定爐溫的情況下氧氣不足以全部氣化固定碳，即需要加入水蒸氣作為氣化劑。在這種工況中，通過調(diào)整添加水蒸氣的比率，可以很好調(diào)整飛灰的粒度，達到很好的效果。在煤制油等工藝中，下游裝置對合成氣中的氮含量比較敏感，所以粉煤載氣一般使用二氧化碳，二氧化碳也是一種很好的氣化劑。但二氧化碳的加入量不能適時控制，因此在實際生產(chǎn)過程中只有廢熱鍋爐嚴(yán)重積灰的情況下，才可以通過切換氮氣工況的方式來實現(xiàn)短時間的廢熱鍋爐清潔。

4.3 調(diào)整石灰石的添加量

石灰石經(jīng)過高溫反應(yīng)后形成CaO進入飛灰中，本身特性即增加了飛灰的黏附性，同時也會增大煤中其他堿金屬元素的揮發(fā)，進而影響到飛灰的粒度。石灰石與原煤一起研磨會在SGC段生成更多的細微顆粒。

4.4 氣化爐的操作壓力

氣化爐的操作壓力越高，形成的飛灰大顆粒聚合物越少，飛灰的粒度越細，在較高氣化壓力的基礎(chǔ)上，氣化壓力每提高0.1 MPa,小于15 μm的飛灰細顆粒寬度將上調(diào)3%。

5 結(jié)語

通過系統(tǒng)性分析不同飛灰粒度對殼牌氣化爐廢熱鍋爐積灰的影響，明確提出最優(yōu)工況對應(yīng)的飛灰粒度的寬度，找出影響飛灰粒度的多種原因，給出了對應(yīng)的氣化爐調(diào)整方案。