鄭永利，喬二浪，馬世榮，喬林艷

（1.陜西榆能化學材料有限公司，陜西 榆林 719000；2.國家能源鄂爾多斯煤制油分公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209）

1 HT-L 粉煤加壓氣化原理及特點

1.1 HT-L 粉煤加壓氣化原理

HT-L 粉煤加壓氣化技術由航天長征化工有限公司開發(fā)，在中國擁有自主知識產權[1]。氣化過程主要包括磨煤和干燥、煤粉加壓和給煤、氣化和合成氣凈化、爐渣和灰水處理。HT-L 粉煤氣化技術的關鍵設備是航天爐。氣化過程為旋流床氣化，反應原料煤粉通過高壓二氧化碳（或高壓氮氣）輸送至獨特的煤粉天然氣燃燒器，然后快速注入爐膛，氣化爐用氣化劑（氧氣和少量蒸汽）在高溫下氣化。反應轉化為以CO 和H2為主要成分的粗合成氣，經清洗除灰后送入轉化模塊。氣化過程中產生的中壓飽和蒸汽，使動能的利用最大化，并將其回收利用。

1.2 HT-L 粉煤加壓氣化工藝主要技術特點

1）以干燥煤粉為原料，高壓二氧化碳（或高壓氮氣）送入氣化爐，碳轉化率高（高達99.2%），冷煤氣效率可達80%～85%；

2）該工藝對煤的粒度分布、揮發(fā)分、黏聚力、含水量、含硫量、含氧量和灰分組成等特性不敏感；

3）氣化爐為再熱器結構，可在高溫下氣化煤粉，有效提高轉化率；

4）除渣采用水浴方式，同時冷卻合成氣，合成氣中的汽氣比較高；

5）一次性投資小，運行維護成本低。

2 工藝流程簡述

氣化爐由上部再熱器輻射源燃燒反應室和下部激冷室組成。在反應室內，氧氣/蒸汽和煤粉通過煤粉燒嘴進入氣化爐。煤粉與氧氣/蒸汽充分混合，在高溫下（約1 380 ℃，4.0 MPa）進行氣化反應。反應室為盤管式水冷壁熱交換結構，并覆蓋耐火材料和隔熱材料。水冷壁與氣化爐外殼之間的間隙腔體內連續(xù)通入保護氣體（高壓二氧化碳/高壓氮氣），使氣化爐殼體溫度始終保持在200 ℃左右。通過將冷卻循環(huán)水引入水夾套保護，冷卻循環(huán)水在水夾套內連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)流動性，燒嘴冷卻循環(huán)水溫度控制在145 ℃～150 ℃之間。為了保護氣化爐壓力容器和水冷壁盤管，通過循環(huán)泵維持強制水循環(huán)系統(tǒng)。冷卻循環(huán)水總量為600 t/h。管道中的流動水吸收爐中氧化還原反應產生的部分熱值，并產生氣化蒸汽。盤管鍋爐水通過泵強制循環(huán)，不僅可以回收煤粉部分氧化還原反應產生的部分熱值，還可以將其轉化為高壓蒸汽（約4.5 MPa飽和蒸汽），可有效降低外殼受壓時的溫度。氣化爐再熱器產生的中壓飽和蒸汽調壓后送至蒸汽管網。爐渣通過激冷環(huán)和下降管被冷卻水冷卻后，沿著下降管被進入激冷室的水浴中。爐渣迅速淬裂，合成氣被水飽和。來自氣化爐的合成氣經過文丘里清潔器、旋風分離罐，進入合成氣濕洗塔進行清洗，去除殘余灰，然后輸送至后工段。激冷后的爐渣為玻璃狀顆粒，大部分通過渣鎖斗系統(tǒng)排入撈渣機[2]。

3 “以渣抗渣”的原理

在水冷壁面上涂一薄層耐火隔熱材料，用電焊焊接銷釘。在生產運行過程中，由于耐火材料和金屬銷釘具有良好的傳熱效果，靠近邊界層的爐渣熱值被膜式水冷壁迅速吸收熱量，溫度降至灰熔點以下，固化黏附；避開邊界層的渣層太厚，導熱摩擦阻力較大，溫度高于灰熔點，且保持流動性。這樣，爐渣有效地保護再熱器免受腐蝕、高溫燃燒和爐渣損壞，并提高使用壽命，稱為抗渣性。

4 原料煤組分對氣化爐操作的影響

4.1 煤的水分對HT-L 氣化工藝的影響

HT-L 粉煤氣化工藝的進料要選取質量有保證的干煤粉，并且水含量不能超過2%。從氣化爐的角度來說，如果客觀上出現特殊情況，煤粉水分含量可能要比2%低一些或者高一些，但是得在合理的范圍之內，不然，煤粉就會結塊，彼此間產生不同程度的粘連，進而導致輸送上的“堵塞”。但當前的實際情況是，水分含量一般都在2%以上，超過的部分要以磨煤干燥等方式去除掉。

4.2 煤的灰分對氣化的影響

4.2.1 煤灰含量的影響

煤灰是煤中含有的惰性物質，在它形成和發(fā)展的過程中不會對氣化反應產生實質性的影響。但是，氣化反應期間，高灰含量煤炭會不斷累積煤灰，其潛熱和顯熱會隨著煤灰數量的降低而減少，熱效率也持續(xù)降低。與此同時，如果存在數量較大的煤灰，原料的運輸成本必然會增加，煤炭消耗量和氧消耗量也會提高，導致灰處理系統(tǒng)需要承擔比以往更大的負荷，氣化爐也無法有效正常運行。煤灰當中的一些成分含量會抑制煤灰固有的熔化特性，爐渣排放會受到很大的影響，渣閥也將遭到阻塞。HT-L 氣化爐一般采用到的結構都是水冷壁。同時，如果氣化爐中原有的熱負荷出現了上下波動，那么在水冷壁周圍的固態(tài)渣層就會被熔化掉，渣層就會不斷累積，為爐壁形成了一道天然屏障。假如煤炭中的灰分沒有達到一定含量，那么固態(tài)渣層就難以形成，氣化爐的熱量就會源源不斷的損失，冷氣體的效率也會大不如前，不能為爐壁形成一道天然屏障，氣化爐也達不到原有的服務年限[3]。其實，HT-L 煤氣化工藝對于煤灰的含量沒有做具體要求，從運行經驗來看，其含量（質量分數）在12%～17%之間為宜，如果這一數值太小，那么蒸汽含量就會變大，水冷壁固體保護渣層得不到有效的形成。如這一數值太大，工況也將得不到保證，爐溫會變得更高，氣化爐運行壽命將會變得很短。

4.2.2 煤灰熔點和爐渣黏度的影響

煤炭中的灰分在形成和發(fā)展的過程中不會對煤氣化反應產生實質性的影響，但要能夠保證煤炭渣流得到充分供應。為了讓氣化爐爐渣按照預先設定好流程排出，在氣化操作溫度環(huán)節(jié)要保證在灰熔點以上100 ℃～150 ℃之間。如果熔點高于這一數值，那么氣化溫度要進行動態(tài)的調高，氣化爐的運行經濟會受到很大的影響，對于爐渣的有效排放起不到任何作用。所以，如果煤具有較高的灰熔點，需要在助熔劑的幫助下靈活調整煤灰中的堿比，改變煤固有的熔融特性，讓氣化爐按照原先計劃好的“路線圖”進行。在一番對比研究后發(fā)現，如果煤具有低灰熔化溫度和較低操作溫度就會有更加優(yōu)質的流動性液態(tài)渣能。

4.3 灰的的化學元素組成對氣化操作的影響

煤灰包含石英、黏稠劑等多個礦物組成?；抑械拿總€元素含量都是不固定的，這就導致得到的產物具有不盡相同的熔點，氣化爐的運行溫度、爐渣掛渣的情況也就出現不同程度差異。如果灰中沒有SiO2時，其軟化溫度就變得非常高，但是當其含量直線上升時，其軟化溫度就變得比較低。出現這一情況的原因是，CaO 等元素會在加熱過程中“自動生成”。同時，隨著CaO 含量持續(xù)增加，軟化溫度就會越來越高。當Na化合物的熔點比正常低時，非常容易跟灰內的氧化物反應生成低熔點共晶，并且Na+的電位不是很高，會在一定程度上損壞灰中的聚合物，熔融溫度也會因此下降，很多時候將其當作助熔劑使用[4]。

4.4 煤炭揮發(fā)性物質及其對HT-L煤氣化過程的影響

如果空氣條件是與外界隔離的狀態(tài)，同時煤炭樣品加熱到相應的溫度以后，煤炭中加熱分解的有機物就會出現一定程度的揮發(fā)。這里所說的揮發(fā)性物質跟水是不一樣的，它不存在于煤炭當中，而是在進行加熱以后，煤炭揮發(fā)的有機物及其分解產物，它的含量取決于加熱條件的優(yōu)劣。從當前情況來看，物質的揮發(fā)性能越好，煤炭化程度就會越淺，煤炭質量也不很很重，反應活性就越好，氣化反應就越理想。但是，航天氣化需要進行必要的高溫氣化，所以停留時間不能過長，氣體和固體之間的擴散反應對有效控制碳轉換的重要抓手。因此，需要質量較高的微粒作為堅實保證，但對揮發(fā)性物質和反應活性不能做過高的要求。

5 煤線不穩(wěn)定性對氣化操作運行的影響

煤粉鎖斗沒有流暢下料，因此在加工過程中，非常容易在設備內部形成架橋，HT-L 氣化工藝在應用過程中使用高壓二氧化碳加壓的方式進行煤粉輸送，很容易導致煤粉在輸送過程中形成實物，由于在整個流程中，煤粉鎖斗工作頻繁，導致閥門內漏、充氣錐破損等問題，對整個流程都是不利的，因此在煤粉的工作過程中，必須保證整條煤線的穩(wěn)定性。

6 通過綜合指標判斷氣化工況運行

控制爐溫的重要參數包括二氧化碳、蒸汽等，因為在運行過程中工況波動，無法采用儀器實現精確測量，因此必須制定恰當的參數控制灰熔點問題，另一方面減少二氧化碳、蒸汽等重要參數對溫度的影響，結合爐渣的形狀確定當前爐溫。爐渣中含有少量細礦渣粉和針狀爐渣時，對排渣基本沒有影響[5]。

7 結論

HT-L 煤氣化工藝和其他工藝相比，有非常顯著的優(yōu)點，主要表現在該工藝耗氧量較低，另外有著較高的氣化效率等，從HT-L 煤氣化工藝整體運行效果來看，HT-L 煤氣化工藝的設計是完全符合新經濟發(fā)展理念的，HT-L 煤氣化工藝不僅能耗較低，而且有著非常高的產能，另外從設計來看，它的各項指標均是符合標準的，符合可持續(xù)發(fā)展理念，目前HT-L 煤氣化工藝在煤化工企業(yè)領域有著非常廣泛的應用，但是在環(huán)保等方面有些不足，因此HT-L 煤氣化工藝使用發(fā)展空間和發(fā)展?jié)摿O大，本文針對HT-L 煤氣化工藝結合理論知識研究HT-L 煤氣化工藝的應用情況，總結而言和實際其他公司的實際運行還存在很多差異。