孫洋洋，周建欣，徐占武，郭宗斌

(中海油惠州石化有限公司， 廣東惠州 516086)

1 概述

E-Gas氣化工藝是在德士古水煤漿氣化工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展的兩段式水煤漿氣化工藝[1]。中海油惠州石化有限公司(簡稱惠州石化)煤制氫氣化裝置引進(jìn)美國Lummus公司的E-Gas氣化技術(shù)，2018年建設(shè)了3臺E-Gas氣化爐，按照2開1備進(jìn)行設(shè)計。

E-Gas氣化爐采用上流式兩段式水煤漿加壓氣化技術(shù)，氣化爐一段注入煤漿和高壓氧氣，二段只注入煤漿。高溫合成氣和熔融灰渣在氣化爐一段中分離，高溫合成氣上行，熔融灰渣在少量抽出合成氣的輔助下經(jīng)下降管進(jìn)入激冷室。高溫合成氣經(jīng)過氣化爐二段時被注入霧化的煤漿將溫度降低至1 020 ℃，進(jìn)入停留段。霧化的二段煤漿在高溫合成氣顯熱的作用下發(fā)生一系列的熱解過程，轉(zhuǎn)化為焦、半焦，以及極少的焦油。高溫合成氣到達(dá)合成氣冷卻器,即余熱鍋爐入口時，溫度降至700～800 ℃，回收余熱副產(chǎn)的超高壓蒸汽(壓力為11.5 MPa)。裹挾有大量焦與半焦顆粒的合成氣在焦過濾器處氣固分離。清潔的合成氣大部分在氯洗塔里進(jìn)一步水洗后送入下游變換裝置，少部分加壓后作為吹掃和保護(hù)氣體返回氣化爐。焦過濾器分離下來的焦與半焦使用高壓合成氣返送入氣化爐一段再次反應(yīng)[2]。激冷室中的灰渣通過兩級破渣機(jī)破碎,渣與水混合在一起降至常壓后，送至渣水分離系統(tǒng)。氣化部分的流程示意簡圖見圖1。

1—煤漿罐;2—?dú)饣癄t;3—停留段;4—余熱鍋爐;5—汽包;6—焦過濾器;7—氯洗塔;8—煤漿進(jìn)料泵;9—煤漿循環(huán)泵。

2 余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

惠州石化E-Gas氣化裝置中的余熱鍋爐(簡稱E-Gas氣化余熱鍋爐)為列管式換熱器，其外形圖見圖2。該余熱鍋爐的長度為40.9 m，直徑為2.15 m，由238根直徑為49.8 mm的換熱管束組成;入口設(shè)有籃式濾網(wǎng)(見圖3)。

圖2 E-Gas氣化余熱鍋爐外形圖

(a) 換熱管束

(b) 籃式濾網(wǎng)圖3 E-Gas氣化余熱鍋爐的換熱管束和籃式濾網(wǎng)

在E-Gas氣化余熱鍋爐設(shè)計中，合成氣走管程，鍋爐水走殼程。進(jìn)入余熱鍋爐的合成氣夾帶著固體顆粒和飛灰，固體顆粒和飛灰在進(jìn)入換熱管束前不可避免地沖擊管板和管束入口，少量固體顆粒停留在管板上，大部分固體顆粒通過管束后被合成氣裹挾進(jìn)入下游設(shè)備。若合成氣中夾帶的固體顆粒中黏性飛灰量增加，由于溫度變化，黏性飛灰在經(jīng)過爐管時，會在爐管入口附近凝固，造成爐管內(nèi)部積灰。當(dāng)爐管內(nèi)部積灰到一定程度，影響合成氣在管束內(nèi)的流動方向時，就會使合成氣在管口附近的流動方向發(fā)生改變，產(chǎn)生偏流。偏流的合成氣中夾帶的固體顆粒在高速流動下會沖刷管道對面偏下部的管束，隨著時間的累積，管束入口沖刷磨蝕加劇，管壁減薄，最終造成管束泄漏。為此，為了保證E-Gas氣化余熱鍋爐的平穩(wěn)運(yùn)行，要求盡可能減少入口合成氣中的黏性飛灰量。

3 余熱鍋爐積灰的影響因素

E-Gas氣化余熱鍋爐的性能和氣化裝置的整體設(shè)計緊密相關(guān)，氣化爐的形狀和結(jié)構(gòu)、原料性質(zhì)、操作參數(shù)都會影響余熱鍋爐的性能，最終影響余熱鍋爐的運(yùn)行時間。

3.1 氣化爐形狀和結(jié)構(gòu)的影響

E-Gas氣化爐作為氣流床氣化爐，具有所有氣流床氣化爐的特點(diǎn)。E-Gas氣化爐外形為十字架形結(jié)構(gòu)(見圖4)。氣化爐一段臥式布置，一段進(jìn)料噴嘴對稱安裝在反應(yīng)器兩側(cè)，煤漿和高壓氧氣沿著水平中心軸通道水平噴入。氣化爐二段豎直布置,只注入高壓合成氣霧化的煤漿，用來對氣化爐一段高溫合成氣進(jìn)行激冷。激冷后的高溫合成氣從氣化爐二段頂部沿?zé)嵬ǖ浪偷较掠蔚耐Ａ舳蝃1-3]。

圖4 E-Gas氣化爐結(jié)構(gòu)簡圖

E-Gas氣化爐為液態(tài)排渣,因此氣化爐一段溫度必須保持在原料煤的灰熔點(diǎn)以上，以保持渣的順利流動。氣化爐一段上行的高溫合成氣中不可避免地裹挾有熔融飛灰，黏性飛灰量隨著氣化爐一段溫度的變化而變化。氣化爐一段溫度過高或者過低都會造成黏性飛灰量增加。氣化爐二段通過注入霧化煤漿把來自氣化爐一段的高溫合成氣冷卻到1 010 ℃左右，同時將合成氣中裹挾的熔融飛灰也冷卻到灰熔點(diǎn)以下。氣化爐二段注入的煤漿高溫?zé)峤猓D(zhuǎn)化成焦與半焦，失去黏結(jié)特性，不會在氣化爐二段內(nèi)沉積或者夾帶到下游的余熱鍋爐堵塞火管管束。當(dāng)氣化爐二段注入的煤漿未能把合成氣中裹挾的黏性飛灰惰化時，黏性飛灰就容易在氣化爐二段上部爐壁上聚集和黏結(jié)，造成氣化爐二段積灰。未凝固的飛灰及從氣化爐二段爐壁上剝落的部分飛灰，被合成氣裹挾進(jìn)入余熱鍋爐的入口，造成余熱鍋爐入口管束內(nèi)部積灰。

3.2 原料性質(zhì)的影響

煤炭是一種復(fù)雜的礦物質(zhì)，研究表明，煤炭中的礦物質(zhì)約有120多種，含量較高的約有30種,按照來源可以分為原生礦物質(zhì)、次生礦物質(zhì)和外來礦物質(zhì)，前兩類統(tǒng)稱為內(nèi)在礦物質(zhì)，難以通過洗選脫除。煤灰的組成由煤炭中礦物質(zhì)組分、熱轉(zhuǎn)化溫度、氣氛和壓力等條件決定。熱轉(zhuǎn)化溫度是決定灰組成的最重要的外部條件，氣氛僅對部分礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化起作用，而壓力通常僅影響礦物質(zhì)晶體的晶形。渣是高溫(高于最小熔融溫度)熱轉(zhuǎn)化過程中礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，是灰的熔融產(chǎn)物。高溫下礦物質(zhì)經(jīng)歷了先成灰后變渣的過程，其間伴隨著礦物質(zhì)間的反應(yīng)和轉(zhuǎn)化。煤中礦物質(zhì)在燃燒中的轉(zhuǎn)化過程見圖5[4]。

圖5 氣化和燃燒過程中礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程

煤灰是復(fù)雜的混合物，因此沒有嚴(yán)格物理意義的熔點(diǎn)，通常采用變形溫度(DT)、軟化溫度(ST)、半球溫度(HT)和流動溫度(FT) 來描述煤灰熔融過程的變化，灰錐熔融特性示意圖見圖6[5]。煤灰熔融特性用來描述煤灰受熱時由固態(tài)逐漸轉(zhuǎn)向液態(tài)的過程，液態(tài)排渣技術(shù)要求操作溫度高于煤灰流動溫度，且對應(yīng)溫度范圍內(nèi)的黏度為2.5～25.0 Pa·s或15～50 Pa·s[3]。如果溫度低于流動溫度或操作溫度區(qū)間從而無法達(dá)到黏度要求均會導(dǎo)致排渣不暢，反應(yīng)器無法正常運(yùn)行[6]。

圖6 灰錐熔融特性示意圖

惠州石化E-Gas氣化使用的原料分別為SY-2(神優(yōu)-2混煤)、混合料1(神優(yōu)-2與神優(yōu)-3混煤)、混合料2(混煤-1和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的石油焦)、混合料3(混煤-2和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的石油焦)，其分析結(jié)果見表1。從表1可以看出：原料的灰熔點(diǎn)逐步升高，碳含量也逐步升高。使用SY-2運(yùn)行時，氣化爐二段溫度控制在1 000 ℃以上時，余熱鍋爐積灰的速度很快，只有將氣化爐二段溫度降低50 K時，余熱鍋爐積灰的速度才可以得到控制；使用混合料1運(yùn)行時，氣化爐二段溫度控制在1 000 ℃時，余熱鍋爐的積灰速度可以得到控制，但氣化爐二段積灰速度明顯變快；使用混合料3運(yùn)行時，氣化爐二段和余熱鍋爐的積灰速度都得到了控制；使用混合料4運(yùn)行時，只要?dú)饣癄t二段積灰速度能夠得到控制，余熱鍋爐的積灰速度也可以得到有效控制。

表1 原料性質(zhì)

E-Gas氣化爐原料的變形溫度必須高于氣化爐二段溫度控制指標(biāo)150 K以上，以保證合成氣中裹挾的黏性飛灰可以在氣化爐二段凝固失去黏性，而不是在到達(dá)余熱鍋爐入口時才凝固，避免了管束入口的堵塞。氣化爐原料的碳含量高時，不但可以明顯降低氣化爐二段合成氣中的黏性飛灰量，而且減少了余熱鍋爐入口未轉(zhuǎn)化為固態(tài)的黏性飛灰量，有效避免了余熱鍋爐管束的堵塞。

3.3 操作參數(shù)的影響

3.3.1 余熱鍋爐入口溫度

建議余熱鍋爐入口溫度最高為870 ℃。在余熱鍋爐入口前，分別使用凈化合成氣和冷凝液對高溫合成氣進(jìn)行急冷，充分冷卻合成氣。降低合成氣溫度以使黏性飛灰全部凝固失去黏性，盡可能地減少余熱鍋爐入口處合成氣中的黏性飛灰量，保障換熱管束的暢通。余熱鍋爐入口溫度偏高時，雖然合成氣所蘊(yùn)含的熱能更多，可回收的熱量會增加，副產(chǎn)蒸汽更多，但是高溫合成氣夾帶到余熱鍋爐入口的黏性飛灰量也增加，余熱鍋爐換熱管束堵塞的概率增加；余熱鍋爐入口溫度偏低時，合成氣中夾帶的黏性飛灰量必然會降低，余熱鍋爐換熱管束堵塞的概率降低，但是合成氣中可回收的熱量會降低，副產(chǎn)蒸汽減少。實(shí)際運(yùn)行時，需要從回收熱量和延長余熱鍋爐運(yùn)行周期之間探索一個最佳平衡點(diǎn)。

3.3.2 氣化爐二段溫度

E-Gas氣化爐二段溫度控制指標(biāo)的選擇，不僅直接影響氣化爐二段合成氣中的黏性飛灰量，還影響著氣化爐二段未轉(zhuǎn)化碳的含量。這兩個方面直接影響氣化爐二段的積灰速度，同時間接影響余熱鍋爐入口溫度和余熱鍋爐入口合成氣中的黏性飛灰量。由于余熱鍋爐入口合成氣和冷凝液的冷卻負(fù)荷有限制，當(dāng)氣化爐二段溫度升高超過余熱鍋爐入口冷卻負(fù)荷的設(shè)計上限時，余熱鍋爐入口的溫度就會升高，這必然導(dǎo)致余熱鍋爐入口合成氣中裹挾的黏性飛灰量增加。反之，則會減少。此外，氣化爐二段溫度控制得偏高，氣化爐二段噴入煤漿的轉(zhuǎn)化率升高，氣化爐二段產(chǎn)生的未轉(zhuǎn)化碳的含量就會降低，用以捕集氣化爐一段熔融飛灰的氣化爐二段灰焦顆粒減少，一方面會造成氣化爐二段積灰速度增加，另一方面會造成合成氣中夾帶的黏性飛灰量增加，間接影響余熱鍋爐的長周期運(yùn)行。

3.3.3 氣化爐二段壓差

氣化爐二段壓差是指E-Gas氣化爐二段與氣化爐一段的壓力差，氣化爐二段壓差直接反映了氣化爐二段的積灰程度。當(dāng)氣化爐二段壓差較低時，夾帶到氣化爐二段的黏性飛灰只來自氣化爐一段，這些黏性飛灰是臥式氣流床氣化爐液態(tài)排渣工藝的正常夾帶。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，只要原料合適，溫度控制合適，正常夾帶的黏性飛灰可以在氣化爐二段得到有效的固化失黏，不會造成氣化爐二段壓差的持續(xù)升高。當(dāng)氣化爐一段溫度偏低時，臥式氣化爐一段產(chǎn)生的黏性飛灰量會明顯增加，超出氣化爐二段原料的固化去黏能力。高灰黏度的灰渣會在氣化爐爐壁內(nèi)側(cè)黏結(jié)一部分，隨合成氣夾帶到余熱鍋爐一部分，直接結(jié)果是氣化爐二段壓差升高。一旦氣化爐二段積灰嚴(yán)重，二段壓差升高后，合成氣中裹挾的黏性飛灰量將會是氣化爐一段操作溫度與二段積灰兩者之間平衡的綜合結(jié)果，即氣化爐一段裹挾黏性飛灰量在正常范圍，氣化爐二段已經(jīng)形成積灰的剝落同樣也會造成合成氣中夾帶黏性飛灰量增加，且此時二段積灰脫落產(chǎn)生的黏性飛灰量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣化爐一段正常運(yùn)行時裹挾的黏性飛灰量。

4 余熱鍋爐積灰的應(yīng)對措施

通過對造成余熱鍋爐積灰的因素進(jìn)行分析可知，余熱鍋爐運(yùn)行的關(guān)鍵是保持入口合成氣中含有盡可能少的黏性飛灰，在氣化爐的形狀和結(jié)構(gòu)無法改變的情況下，只能從原料選擇和操作參數(shù)上采取措施，延緩余熱鍋爐的積灰速度，延長氣化爐的連續(xù)運(yùn)行時間。

4.1 原料選擇

根據(jù)E-Gas氣化爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)該選擇灰熔點(diǎn)變形溫度在1 200 ℃以上，且碳含量較高的原料，惠州石化使用的混合料2就是符合該條件的原料之一。采用混合料2運(yùn)行時，可以使合成氣中黏性飛灰量保持在較低水平，有效避免黏性飛灰夾帶造成下游余熱鍋爐管束的堵塞。采用混合料2和混合料3運(yùn)行時，余熱鍋爐壓差的變化趨勢減緩，氣化爐運(yùn)行時間分別延長到了30 d和60 d以上。

4.2 操作參數(shù)

4.2.1 氣化爐二段溫度

根據(jù)混合料2和混合料3的原料性質(zhì)，氣化爐二段溫度可以穩(wěn)定控制在1 000～1 020 ℃，以保證氣化爐二段合成氣中夾帶的黏性飛灰量處于較低的水平，并且該溫度下余熱鍋爐入口冷卻負(fù)荷在合理的范圍之內(nèi)，最終保持余熱鍋爐入口合成氣中夾帶的黏性飛灰量處于可控范圍，延長余熱鍋爐的運(yùn)行時間。

4.2.2 余熱鍋爐入口溫度

根據(jù)氣化爐二段溫度控制值，選擇余熱鍋爐入口溫度控制在690～750 ℃，既保持余熱鍋爐更多地回收熱能副產(chǎn)蒸汽，又可以減緩余熱鍋爐的積灰速度，增加余熱鍋爐的運(yùn)行時間。

4.2.3 氣化爐二段壓差

余熱鍋爐壓差和氣化爐二段壓差的關(guān)系見圖7。

圖7 余熱鍋爐壓差和氣化爐二段壓差的關(guān)系

由圖7可以看出:氣化爐二段壓差劇烈波動時，余熱鍋爐的壓差增加較快。因此，為了降低余熱鍋爐的積灰速度，氣化爐二段壓差應(yīng)該維持在較低值，避免氣化爐二段積灰脫落造成余熱鍋爐入口黏性飛灰量增加，延長余熱鍋爐的運(yùn)行時間。

5 結(jié)語

余熱鍋爐作為E-Gas氣化裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，延長其運(yùn)行時間才能保證氣化爐長周期的運(yùn)行。高溫合成氣從余熱鍋爐管束向火面經(jīng)過的特性決定了必須采取措施降低余熱鍋爐入口合成氣中裹挾的黏性飛灰量。通過原料選擇和操作參數(shù)的優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)E-Gas氣化余熱鍋爐的長周期運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)氣化爐的長周期運(yùn)行。