楊 謙

(呼倫貝爾金新化工有限公司， 內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021000)

1 概述

呼倫貝爾金新化工有限公司原料及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整技術(shù)改造項目中，煤氣化裝置殼牌煤氣化技術(shù)采用干粉煤氣化下行激冷流程，氣化壓力為4.0 MPa。其主要工藝過程包括預(yù)干燥單元(U2000)、磨煤與干燥單元(U1100)、煤粉加壓輸送單元(U1200)、煤氣化與合成氣激冷單元(U1300)、除渣單元(U1400)、濕洗單元(U1600)、灰水處理(U1700)以及公用工程單元(U3X00)等。氣化溫度為1 400～1 600 ℃，碳轉(zhuǎn)化率高達99%以上,產(chǎn)品氣體潔凈，不含重?zé)N，甲烷含量極低，煤氣中有效氣體(CO+H2)體積分?jǐn)?shù)達到88%左右。日投煤量1 247 t/d,設(shè)計有效氣(CO+H2)產(chǎn)量為60 000 m3/h。

殼牌hybrid氣化爐工藝是在殼牌廢鍋流程基礎(chǔ)上改進的第三代煤氣化技術(shù)，氣化爐本體主要由氣化反應(yīng)室和外殼體(設(shè)計壓力5.1 MPa、設(shè)計溫度400 ℃)組成，反應(yīng)室與外殼體之間為環(huán)隙空間，其中反應(yīng)室由膜式水冷壁采用管-翅-管結(jié)構(gòu)組裝(包括頂錐、直管段、底錐)而成。氣化爐燃料煤粉采用高壓N2/CO2輸送方式，經(jīng)過計量后分別送入4支煤燒嘴(A1301A/B/C/D)的中心管。氧氣經(jīng)氧氣預(yù)熱器加熱至180 ℃后送入煤燒嘴。在氣化爐(V1301)反應(yīng)室內(nèi)，經(jīng)4支煤燒嘴噴入的煤粉與氧氣發(fā)生反應(yīng)，氣化壓力為4.0 MPa，反應(yīng)溫度為1 400～1 600 ℃。反應(yīng)后的高溫合成氣在氣化爐下降管和激冷室內(nèi)用水激冷至210～220 ℃，并使夾帶的飛灰固化后，進入濕洗工序。氣化爐激冷室底部的灰水送至灰水處理工序。激冷后的熔渣經(jīng)破渣機(X1401)破碎，當(dāng)粒徑達到50 mm以下后進入渣收集罐(V1401)。氣化爐膜式壁采用中壓鍋爐水循環(huán)冷卻,并設(shè)置汽包副產(chǎn)中壓蒸汽。殼牌hybrid氣化爐工藝布置簡圖見圖1。

2 褐煤特性

褐煤主要特性參數(shù)見表1。

3 氣化爐關(guān)鍵參數(shù)控制

3.1 氣化爐爐溫控制

氣化爐爐溫為氣化爐主要控制參數(shù)之一，由于氣化爐內(nèi)反應(yīng)溫度達1 400～1 600 ℃，無法直接測量，所以需要用其他參數(shù)來表征判斷。當(dāng)爐溫過高時，易產(chǎn)生針形渣，在渣池極易結(jié)團，導(dǎo)致渣池積渣并引起排渣不暢；同時，由于渣形過細(xì)，易導(dǎo)致水系統(tǒng)帶渣而無法運行，局部溫度過高可能引起水冷壁燒損。當(dāng)爐溫過低時，易導(dǎo)致燃燒不完全，極端情況下會因渣口堵塞導(dǎo)致停車。由于褐煤水分較高，氣化爐無需添加蒸汽，所以，控制氧煤比是調(diào)整爐溫的唯一手段。

3.1.1 通過合成氣組分表征爐溫

粉煤、氧氣、粉煤所含水蒸氣在氣化爐內(nèi)發(fā)生氧化反應(yīng)、轉(zhuǎn)化反應(yīng)、加氫反應(yīng)，生成 CO、 CO2、H2和微量 CH4。主要反應(yīng)化學(xué)式如下：

圖1 殼牌hybrid氣化爐工藝布置簡圖

表1 褐煤主要特性參數(shù)

(1)

(2)

(3)

(4)

由以上反應(yīng)可以看出，如果氧氣加入量過大,即氧煤比過高，煤的燃燒即氧化反應(yīng)加劇，使?fàn)t內(nèi)溫度上升，CO、CH4與氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)(副反應(yīng))生成CO2，造成CO2含量升高，而CH4含量降低；反之，爐溫降低時，CO2含量下降，CH4含量上升。所以合成氣中CO2、CH4含量可以有效表征氣化爐爐溫。根據(jù)前期運行數(shù)據(jù)，CH4質(zhì)量濃度控制300～500 mg/L，CO2體積分?jǐn)?shù)控制9%～12%為宜。CO2含量隨著煤質(zhì)變化有所波動，但體積分?jǐn)?shù)不能低于8.5%。

3.1.2 通過水汽密度及熱負(fù)荷表征爐溫

由于水的密度隨著溫度升高而降低,所以水冷壁出口鍋爐水的密度可以間接反映氣化爐溫度。通常將頂錐、水冷壁、燒嘴罩、底錐的鍋爐水密度換算為熱負(fù)荷，用以表征氣化爐溫度。在入爐煤質(zhì)即熔渣黏度不變的情況下，熱負(fù)荷越高，則氣化爐反應(yīng)溫度越高；熱負(fù)荷越低，則氣化爐反應(yīng)溫度越低。實際運行過程中，氣化爐熱負(fù)荷受汽包壓力、鍋爐水上水溫度及循環(huán)水流量的影響，特別是煤質(zhì)變化時，熔渣黏度發(fā)生變化，熱負(fù)荷對于爐溫的表征會有所偏離。

3.1.3 通過渣形及渣中殘?zhí)己勘碚鳡t溫

殼牌hybrid氣化爐運行的核心是掛渣，掛渣的好壞直接決定氣化爐的運行正常與否，所以渣樣是氣化爐運行工況的直觀體現(xiàn)。同等情況下爐溫越高，渣黏度越低，水激冷后渣粒度越小，甚至產(chǎn)生頭發(fā)絲狀的針形渣；粒度越大，爐溫越高，燃燒越充分，渣中殘?zhí)己吭降汀５湫蜖t溫下的渣形見圖2、圖3、圖4、圖5。圖5為爐溫適宜的渣形，粒度均勻，微量針形渣。

圖2 渣形較細(xì)、針形渣明顯

圖3 渣形較粗、無針形渣

圖4 渣形均勻、無針形渣

由于水激冷后大部分殘?zhí)紩患?xì)渣帶走，所以細(xì)渣中殘?zhí)挤磻?yīng)較為明顯。爐溫適宜時，殘?zhí)贾写衷|(zhì)量分?jǐn)?shù)<1%，細(xì)渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～5%。細(xì)渣中殘?zhí)己窟^低會導(dǎo)致針形渣增多。

圖5 渣形均勻、少量針形渣

3.1.4 通過合成氣出口溫度表征爐溫

合成氣出口溫度也能夠間接表征氣化爐爐溫。在煤質(zhì)穩(wěn)定負(fù)荷不變、激冷水流量、粗細(xì)噴嘴流量及渣池液位無大幅度波動的情況下，合成氣出口溫度能夠間接反映氣化爐爐溫情況，可綜合合成氣組分中CO2、CH4含量及熱負(fù)荷等因素，判斷氣化爐爐溫情況。

由于無法直接測量氣化爐爐溫，爐溫的控制需要用相關(guān)參數(shù)進行表征判斷。但以上參數(shù)相互影響，不能單純參考某一參數(shù)，需要綜合分析判斷，特別是在煤質(zhì)波動時，需要根據(jù)實際情況來綜合判斷爐溫。

3.2 熱負(fù)荷控制

熱負(fù)荷是氣化爐內(nèi)掛渣情況的直觀反應(yīng)，間接反應(yīng)爐溫。根據(jù)運行經(jīng)驗，水冷壁熱負(fù)荷反應(yīng)較為靈敏，且可以有效反應(yīng)氣化爐整體掛渣狀態(tài)，所以殼牌hybrid氣化爐運行主要參考水冷壁熱負(fù)荷，計算公式如下：

J={F×[hsatw+x×(hsata-

hsatw)-C3]}/1 000

(1)

式中：F為水冷壁上水質(zhì)量流量，kg/s；hsatw為飽和水焓值，kJ/kg；hsata為飽和蒸汽焓值，kJ/kg；hin為水冷壁水焓值，kJ/kg；x為比例系數(shù)，%。

hsats=fchart1(P+ΔP+0.006+0.1)

(2)

hsatw=fchart(2 or 3)(P+ΔP+0.006+0.1)

(3)

式中：P為中壓汽包壓力，MPa。

ΔP=ρm×g×(Δh+h1)/1 000 000

(4)

式中：ρm為水汽密度，kg/m3；g為9.81 m/s2；h1為汽包底部與水汽混合物入口高度差，m；Δh為水汽密度計安裝位置與氣化爐相對高度，m。

fchart1為在2.0～8.0 MPa范圍內(nèi)飽和蒸汽的焓值與壓力的函數(shù)關(guān)系，kJ/(kg·MPa)；fchart2為在0.5～2.0 MPa范圍內(nèi)飽和水的焓值與壓力的函數(shù)關(guān)系，kJ/(kg·MPa)；fchart3為在2.0～8.0 MPa范圍內(nèi)飽和蒸汽的焓值與壓力的函數(shù)關(guān)系，kJ/(kg·MPa)。

以上計算過程可見，熱負(fù)荷影響因素較多，汽包壓力、液位、鍋爐水補水流量、鍋爐水上水溫度及中壓鍋爐循環(huán)水泵出口流量均會引起熱負(fù)荷波動,在運行期間，需確保以上參數(shù)穩(wěn)定。除此之外，影響熱負(fù)荷的主要因素為爐溫及熔渣黏度。在相同爐溫下，熔渣黏度越低，熱負(fù)荷越高；反之熔渣黏度越高，熱負(fù)荷越低。需要說明的是，當(dāng)氣化爐內(nèi)流場結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，由于局部燃燒劇烈或不充分，均會導(dǎo)致掛渣不均勻，從而引起熱負(fù)荷失真。

在煤質(zhì)波動時，熱負(fù)荷是氣化爐工況調(diào)整的關(guān)鍵參數(shù)之一。當(dāng)氣化爐流場不發(fā)生變化時，熱負(fù)荷異常上漲或下降，說明煤質(zhì)出現(xiàn)波動。而煤質(zhì)波動時，需調(diào)整助熔劑添加量。圖6為煤質(zhì)波動(灰分上漲)的典型工況。

圖6 灰分上漲工況典型工藝參數(shù)(以小時均值取點)

由圖6可見：逐步提高助熔劑添加量，熱負(fù)荷可逐步上漲。其間，控制重點為爐溫高控(即甲烷按下限控制)，避免熱負(fù)荷過低導(dǎo)致跨渣。需逐步上調(diào)助熔劑添加量，上調(diào)幅度過大，同樣會因熔渣黏度變化劇烈導(dǎo)致跨渣。根據(jù)運行經(jīng)驗，褐煤工況熔渣黏度控制在15～20 Pa·s為宜,此黏度下的熱負(fù)荷控制在2.6～3.0 MW。實際運行中，CH4含量也可以作為煤質(zhì)變化的關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)煤灰分出現(xiàn)較大幅度波動時，在氧煤比不變的情況下，入爐原料氧碳比發(fā)生變化，反應(yīng)為爐溫變化，即灰分上漲，入爐原料氧碳比升高，CH4含量降低。

3.3 流場控制

殼牌hybrid氣化爐煤燒嘴中心線相對于氣化爐中心線偏轉(zhuǎn)4°，且位于煤燒嘴氣化爐的同一高度水平面上。殼牌hybrid氣化爐采用氣流床氣化工藝，從煤燒嘴噴出的煤粉、氧氣以射流的形式出現(xiàn)，射流對周圍流體具有強烈的卷吸作用。流體自煤燒嘴射出后，在緊靠煤燒嘴的過渡區(qū)域內(nèi)，高速射流會造成剪切層。由于剪切層自然不穩(wěn)定性迅速增長，形成旋渦，導(dǎo)致射流對周圍流體的卷吸[1]。氣化爐反應(yīng)室內(nèi)的流體因錯位剪切而形成強旋流場，氣化爐燒嘴的平面流場、立體流場分別見圖7、圖8。

圖7 氣化爐燒嘴平面流場

圖8 氣化爐燒嘴立體流場

3.3.1 氣化爐速度與溫度分布

(1) 氣化爐速度分布

圖9為熱態(tài)條件下殼牌hybrid氣化爐內(nèi)速度分布，其中圖(a)和圖(b)分別為氣化爐內(nèi)噴嘴橫向截面和軸向截面速度分布[2]。

從圖9(a)可知：氣化爐噴嘴外環(huán)隙空間出口處氣體速度最大，氣化爐噴嘴橫向截面中心形成切圓，說明氣化爐內(nèi)存在強烈的旋流流場，有利于湍流流動，提高碳轉(zhuǎn)化率。從圖9(b)可知：氣化爐頂部氣流速較小，造成頂錐掛渣較為困難。越接近氣化爐出口處速度越大，其主要原因是粉煤顆粒在運動過程中不斷被氣化，從而增加了氣相總質(zhì)量，導(dǎo)致流速增加。

(a) 氣化爐內(nèi)噴嘴橫向截面

(b) 氣化爐內(nèi)噴嘴軸向截面

(2) 氣化爐溫度分布

圖10為熱態(tài)條件下殼牌hybrid氣化爐內(nèi)溫度分布，其中圖(a)和圖(b)分別為氣化爐噴嘴橫向截面和軸向截面溫度分布[3]。

(a) 氣化爐內(nèi)噴嘴橫向截面

(b) 氣化爐內(nèi)噴嘴軸向截面

從圖10(a)可知：噴嘴出口處的溫度較低，有利于防止噴嘴回火，保護噴嘴頭部及燒嘴罩免受高溫氣體的熱輻射作用，延長噴嘴的使用壽命；氣化爐內(nèi)火焰的溫度很高，噴嘴截面中心處溫度相對較低。從圖10(b)可知：除噴嘴燃燒區(qū)域外，氣化爐內(nèi)的平均溫度分布比較均勻，氣化爐拱頂區(qū)域溫度較低，而氣化爐出渣口處溫度合理，利于液態(tài)排渣。

3.3.2 殼牌氣化爐內(nèi)流場影響因素

氣化爐內(nèi)流場的穩(wěn)定對提高氣化效率和保護氣化爐設(shè)備的安全非常重要。穩(wěn)定的流場可以實現(xiàn)氣化爐的穩(wěn)定長周期運行，而在實際運行過程中影響流場穩(wěn)定的因素較多。

(1) 煤線波動及參數(shù)不準(zhǔn)

殼牌氣化實際運行中煤線異常波動較為頻繁[4]，大致可歸納為以下幾種原因：煤粉給料倉壓力波動較大，充氣錐故障；粒度分布不均勻，煤粉粒度不合格；煤閥內(nèi)有異物或故障；煤粉給料倉錐部有異物；煤粉溫度或伴熱溫度低，煤粉流動性差；煤粉管線內(nèi)有雜物；4條煤線流量或煤速不均衡；速度計故障或密度計故障。一旦煤線參數(shù)不準(zhǔn)，就會導(dǎo)致流場結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，射流沖擊爐壁后損壞水冷壁、燒嘴罩、燒嘴頭部。

煤粉給料倉(V1205)料位偏差是煤線參數(shù)偏離的主要判斷依據(jù)之一。當(dāng)V1205料位偏差>20 t/d時，需進行排查調(diào)整。

頂錐密度是煤線參數(shù)偏離的又一關(guān)鍵指標(biāo)。由圖9、圖10氣化爐速度及溫度分布可知：當(dāng)氣化爐頂部速度及溫度較低時，氣化爐頂錐最不易掛渣。頂錐掛渣情況對于氣化爐工況的反應(yīng)最為明顯。當(dāng)某一條煤線參數(shù)異常時，破壞氣化爐流場，會影響頂錐掛渣，導(dǎo)致頂錐密度降低。由于頂錐不易掛渣，當(dāng)氣化爐因渣黏度發(fā)生變化時,頂錐掛渣也會出現(xiàn)波動。某次開車后，頂錐密度異常，熱負(fù)荷較高，當(dāng)時V1205A/B料位偏差較大，經(jīng)判斷為3#線煤量偏小。經(jīng)調(diào)整后，V1205A/B料位偏差逐漸減小，頂錐密度及熱負(fù)荷逐步恢復(fù)(圖11)。

圖11 煤線參數(shù)不準(zhǔn)確的典型數(shù)據(jù)

當(dāng)氣化爐煤線參數(shù)偏離較大時，特別是某一條煤量偏多，氣化爐流場會被嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致氣化爐局部燃燒不充分，粗細(xì)渣中殘?zhí)己慨惓８摺４朔N情況下，頂錐密度、熱負(fù)荷及合成氣組分均會發(fā)生偏離，嚴(yán)重時引起渣口堵渣。此時，應(yīng)立即采取措施。

排查煤線參數(shù)偏離時，需結(jié)合各條煤線密度顯示、煤閥開度、合成氣組分、熱負(fù)荷等參數(shù)綜合判斷。修訂煤線參數(shù)時，可采取修訂煤線斜率(即單條線氧煤比)及B值的方式。當(dāng)煤量偏差較小時，宜采用修訂煤線斜率的方式，此方式在氣化爐負(fù)荷變化時可自動調(diào)整；當(dāng)煤量偏差較大時，不得不采用修訂B值的方式。修訂B值后，在氣化爐負(fù)荷變化時需重新修訂。此外，在氣化爐其他參數(shù)無明顯異常的情況下，不宜大幅修訂煤量，一般情況下氣化爐開車后一周內(nèi)修訂至最優(yōu)值即可。

(2) 煤燒嘴跳停

煤燒嘴實際流量波動不允許超過0.2 kg/s，一旦流量波動異常，就會造成煤燒嘴跳車或氣化爐工況惡化直至跳車。不同工況下，氣化爐爐膛內(nèi)的流場特征不同。4支燒嘴等負(fù)荷工況條件下，4股流體因錯位剪切而在爐膛中心形成一個對稱的強漩渦流場，流體與水冷壁面不存在直接的撞擊作用；當(dāng)小于3支燒嘴運行時，會對水冷壁產(chǎn)生一定的沖刷作用，引起氣化爐各關(guān)鍵參數(shù)發(fā)生變化。煤燒嘴跳車直至恢復(fù)時，氣化爐參數(shù)變化情況見圖12。

圖12 煤燒嘴跳停參數(shù)(以分鐘均值取點)

(3) 氣化爐壓力波動

殼牌hybrid氣化爐實際運行中，系統(tǒng)壓力波動的現(xiàn)象時有發(fā)生，造成煤燒嘴的射流動量也發(fā)生波動，導(dǎo)致氣化爐內(nèi)流場的波動。氣化爐壓力波動越頻繁，波動范圍越大，造成氣化爐內(nèi)流場的波動也越大。因此，在生產(chǎn)過程中應(yīng)盡量穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，避免頻繁波動，穩(wěn)定氣化爐內(nèi)的流場。

(4) 氣化爐內(nèi)燒嘴罩和燒嘴頭泄漏

氣化爐煤燒嘴及燒嘴罩布置圖見圖13。

圖13 燒嘴罩及煤燒嘴安裝布置圖

在燒嘴罩上方設(shè)置渣導(dǎo)流槽，用于保護燒嘴頭及燒嘴罩。氣化爐在實際運行過程中，由于燒嘴跳停、掛渣太厚，導(dǎo)致翻渣異常，氣化爐內(nèi)燒嘴罩、燒嘴頭泄漏的現(xiàn)象時有發(fā)生。燒嘴罩泄漏或燒嘴頭部泄漏后，水汽進入氣化爐內(nèi)，影響煤燒嘴的射流，使氣化爐內(nèi)的流場發(fā)生改變。根據(jù)前期運行經(jīng)驗，采取以下措施可以有效防止燒嘴罩破損：適當(dāng)提高熱負(fù)荷，控制在2.6～2.8 MW，以控制渣層厚度，降低燒嘴罩翻渣風(fēng)險；控制煤速為8.2 m/s ，確保流場穩(wěn)定，防止回火燒損燒嘴罩；根據(jù)熱負(fù)荷及氣體組分，及時調(diào)整石灰石添加量。

當(dāng)出現(xiàn)燒嘴罩泄漏后，需要優(yōu)化參數(shù)，提高爐溫以延長氣化爐運行周期。圖14為燒嘴罩泄漏工況的典型參數(shù)。

(5) 氣化爐煤燒嘴角度變化

殼牌氣化爐煤燒嘴與徑向的夾角為 4°，燒嘴角度控制的核心在于檢修和安裝。在氣化爐檢修安裝燒嘴時，必須嚴(yán)格控制安裝質(zhì)量，一旦燒嘴角度發(fā)生偏離，只能停車進行處理。角度減小會導(dǎo)致爐膛內(nèi)氣體流場的旋流改變，煤粉與氧氣不能充分反應(yīng)，有大量的煤粉隨熔渣向下流動，極易造成堵渣。角度增大后，由于內(nèi)部流場發(fā)生變化，流場增大，高溫區(qū)更接近水冷壁，爐壁渣層變薄，爐膛會出現(xiàn)耐火泥脫落及耐火銷釘被燒壞的情況，縮短設(shè)備使用壽命。

4 氣化爐的維護重點

(1) 煤質(zhì)穩(wěn)定是氣化爐長周期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。應(yīng)避免入爐煤質(zhì)大幅波動。如煤質(zhì)發(fā)生大幅波動，必須及時判斷并有效調(diào)整。

圖14 氣化爐燒嘴罩泄漏典型工況參數(shù)

(2) 檢修時，需清理干凈各料倉。對各緊固件螺栓進行點焊，確保運行中不會脫落。

(3) 每次檢修后，調(diào)校煤線密度計、速度計，并做煤線循環(huán)，校核煤線參數(shù)。

(4) 開車后，盡量縮短氮氣工況運行時間和低負(fù)荷運行時間。

(5) 投運煤燒嘴時，控制煤速≤9.5 m/s。防止煤速過高而破壞流場，損壞氣化爐水冷壁。

(6) 控制氣化爐壓力穩(wěn)定，減少煤線波動。

(7) 控制適宜爐溫及熱負(fù)荷，CH4質(zhì)量濃度控制300～500 mg/m3。通過調(diào)整助熔劑添加量來適當(dāng)提高空熱負(fù)荷(2.6～3.0 MW)，提高煤質(zhì)波動時氣化爐的操作彈性。

(8) 開車前校準(zhǔn)水冷壁、頂錐、燒嘴罩、底錐流量，并與歷次開車時的參數(shù)值進行對比，避免流量異常。

(9) 煤線堵塞等異常情況發(fā)生時，停用煤燒嘴?？刂仆Ｓ脮r間，防止流場破壞后無法恢復(fù)。

5 結(jié)語

殼牌hybrid氣化爐運行中，各關(guān)鍵參數(shù)互為因果，必須不斷分析和優(yōu)化，確保氣化爐在最優(yōu)工況下運行。從原理、控制措施、異常工況參數(shù)等角度，分析和探討殼牌hybrid氣化爐的關(guān)鍵參數(shù)控制，并提出了維護重點，對同類型裝置運行具有指導(dǎo)和借鑒意義。