U－GAS氣化裝置試燒兗礦興隆煙煤情況總結(jié)

俎 宇，薛瑩瑩，樊鳳升

（兗礦嶧山化工有限公司，山東鄒城 273500）

1 背 景

U－GAS氣化技術(shù)是由美國(guó)氣體技術(shù)研究所自主研發(fā)的，屬于單段循環(huán)流化床粉煤氣化工藝，采用灰團(tuán)聚的方式操作，目前由美國(guó)綜合能源系統(tǒng)有限公司（SES）獲得該技術(shù)的使用權(quán)。2008年2月棗莊投煤量為400t／d的U－GAS氣化示范裝置建成投運(yùn)，從三年來(lái)的運(yùn)行情況來(lái)看，該氣化方式對(duì)原料煤的要求相對(duì)寬松，可以氣化高灰分、高硫分、高水分和低發(fā)熱量的劣質(zhì)煙煤，只要滿足發(fā)熱量大于12MJ／kg就可以使用，裝置可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)特殊要求裝備，全部設(shè)備均為國(guó)產(chǎn)化設(shè)備。2009年11月通過(guò)了山東省科技廳組織的科技成果鑒定。嶧化公司項(xiàng)目相關(guān)人員于2010年底開(kāi)始對(duì)該技術(shù)進(jìn)行考察，經(jīng)過(guò)多次論證，認(rèn)為需要使用兗礦本地煤在示范裝置上進(jìn)行工業(yè)氣化實(shí)驗(yàn)。公司領(lǐng)導(dǎo)決定委托SES公司對(duì)兗礦興隆礦混煤在棗莊的U－GAS氣化裝置上進(jìn)行工業(yè)氣化實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)本地煤炭對(duì)UGAS氣化裝置的適用性以及實(shí)際運(yùn)行效果。

2 氣化實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 氣化實(shí)驗(yàn)工藝流程

2.1.1 U－GAS氣化技術(shù)簡(jiǎn)介

U－GAS氣化裝置的核心設(shè)備是鼓泡流化床粉煤氣化爐，氣化裝置主要包括原料煤的破碎、干燥及輸送系統(tǒng)、氣化爐本體、旋風(fēng)分離系統(tǒng)、余熱鍋爐、布袋除塵器、冷卻、排灰、公用工程等。U－GAS氣化爐的外殼是用鍋爐鋼板焊制的壓力容器，內(nèi)襯耐火材料。氣化爐底部是一個(gè)中心開(kāi)孔的氣體分布板，氣化劑分兩處進(jìn)入反應(yīng)器，一部分由分布板進(jìn)入，維持床內(nèi)物料流化；另一部分從爐底文丘里管進(jìn)入，這部分氣體氧／蒸汽比較大，氣化過(guò)程中在文丘里管上方形成溫度較高的灰團(tuán)聚區(qū)，溫度略高于灰的軟化點(diǎn)（ST），灰粒在此區(qū)域軟化后團(tuán)聚長(zhǎng)大，到不能被上升氣流托起時(shí)灰粒從床層中分離出來(lái)。排渣量的多少由中心管的氣流速度來(lái)控制。

2.1.2 工藝流程簡(jiǎn)述

原料煤首先經(jīng)過(guò)破碎和干燥，按要求被破碎到6mm以下，表面水分含量小于4%。氣化過(guò)程需要的氧氣來(lái)自空分裝置，氣化劑分兩處進(jìn)入到氣化爐，在氣化爐中和加入的煤粉發(fā)生氣化反應(yīng)，分為破粘、脫揮發(fā)分、熱裂解、氣化、灰團(tuán)聚、灰渣分離等幾個(gè)環(huán)節(jié)。粗煤氣從氣化爐的頂部引出，進(jìn)入一二級(jí)旋風(fēng)分離器，除灰后，送往余熱鍋爐系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收并副產(chǎn)氣化過(guò)程中需要的水蒸氣?；厥沼酂岷蟮拿簹饨?jīng)過(guò)布袋除塵器、水洗塔進(jìn)一步除塵降溫后送往凈化系統(tǒng)。一二級(jí)旋風(fēng)分離器捕捉到的飛灰返回到氣化爐，三級(jí)旋風(fēng)分離器捕捉到的飛灰直接排到灰倉(cāng)，不再返回氣化爐。流程示意見(jiàn)圖1。

圖1 工藝流程圖

2.2 原料煤指標(biāo)

原煤要求破碎到6mm以下，而且0.15mm以下的煤粉不得超過(guò)10%（以質(zhì)量計(jì)），表面水分含量不得超過(guò)4%，灰渣特性不大于5。嶧山試燒煤原煤分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 嶧山試燒原煤分析數(shù)據(jù)表

2.3 氣化實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.3.1 試燒前的準(zhǔn)備工作以及煤種置換

根據(jù)提前制定的試燒計(jì)劃，運(yùn)行部門在8月7日0：00前，清空100＃、200＃煤倉(cāng)，開(kāi)始加工煤樣，氣化仍使用緩沖斗的本地原料煤。8月7日7：00，實(shí)驗(yàn)用煤入爐，開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)置換工作，并根據(jù)分析結(jié)果及時(shí)對(duì)氣化爐各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，置換期間氣化爐按照用戶用氣情況保持穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3.2 50%負(fù)荷試燒試驗(yàn)

試燒工作從8月9日8：00正式開(kāi)始，8月9日8：00至8月10日8：00進(jìn)行50%負(fù)荷試燒試驗(yàn)。進(jìn)煤量控制在6.0～6.5t／h，氣化爐溫度控制在（1 020±5）℃，氣化爐壓力控制在215～225kPa。此種操作條件下，平均有效氣（CO＋H2）量在7 846m3／h左右，有效氣量隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖2。

圖2 50%負(fù)荷凈合成氣流量隨時(shí)間變化曲線（8月9日08：00到8月10日08：00）

2.3.3 80%負(fù)荷試燒試驗(yàn)

8月10日7：40對(duì)氣化爐各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)煤量調(diào)整為9.5～10t／h，氣化爐溫度控制在（1 015±5）℃，氣化爐壓力控制在215～225kPa。此種操作條件為氣化爐的80%負(fù)荷，由8月10日8：00至8月11日8：00進(jìn)行，平均有效氣（CO＋H2）量在1 0651m3／h左右，有效氣量隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖3。

圖3 80%負(fù)荷凈合成氣流量隨時(shí)間變化曲線（8月10日08：00到8月11日08：00）

2.3.4 100%負(fù)荷試燒試驗(yàn)

8月11日7：40對(duì)氣化爐運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)煤量調(diào)整為10.5～11.0t／h，氣化爐溫度控制在（1 025±5）℃，氣化爐壓力控制在215～225kPa。此種操作條件為氣化爐的100%負(fù)荷，由8月11日8：00至8月12日8：00進(jìn)行，平均有效氣（CO＋H2）量在12 271m3／h左右，有效氣量隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖4。

圖4 100%負(fù)荷凈合成氣流量隨時(shí)間變化曲線（8月11日08：00到8月12日08：00）

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 氣化爐原始數(shù)據(jù)

3.1.1 凈化后合成氣的組成（表2）

表2 凈合成氣組成

3.1.2 實(shí)驗(yàn)中氣化爐操作參數(shù)（表3）

由于實(shí)驗(yàn)所用煤種的發(fā)熱量較低，氣化反應(yīng)活性偏低（1 000℃下二氧化碳活性僅為50%左右），灰熔點(diǎn)在1 350℃左右，所以試燒期間的氣化爐操作溫度將直接影響碳轉(zhuǎn)換率、冷煤氣效率等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。根據(jù)U－GAS流化床氣化爐的技術(shù)特點(diǎn)，流化床密相段的中心區(qū)溫度較其他區(qū)域的溫度高，所以氣化爐的操作溫度（氣化爐內(nèi)壁最高溫度）在試驗(yàn)的第一階段（50%負(fù)荷）控制在1 020℃左右。由于示范裝置采用的是返粉系統(tǒng)，試驗(yàn)在50%負(fù)荷階段碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到98.5%。為了研究溫度對(duì)碳轉(zhuǎn)化率的影響，試驗(yàn)在80%負(fù)荷階段時(shí)，將溫度控制在（1 015±5）℃，此時(shí)碳轉(zhuǎn)換率降至95%以下?；诖舜_定氣化爐最佳操作溫度應(yīng)控制在1 020℃以上，試燒試驗(yàn)才能達(dá)到比較滿意的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，于是在100%負(fù)荷階段時(shí)，又把操作溫度提高到（1 025±5）℃范圍，實(shí)驗(yàn)證明碳轉(zhuǎn)化率又有所提高。

表3 氣化爐操作參數(shù)

3.2 試驗(yàn)中存在的問(wèn)題

（1）U－GAS氣化爐要求入爐煤破碎到6mm以下，而且0.15mm以下的煤粉不得超過(guò)10%（以質(zhì)量計(jì)），表面水分含量不得超過(guò)4%。在試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)了布袋除塵堵塞的情況，分析認(rèn)為0.15mm以下的煤粉比例過(guò)大，在煤破碎時(shí)如何有效控制0.15mm以下煤粉的比例是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。該氣化爐除塵設(shè)計(jì)是布袋除塵方式，考慮到布袋對(duì)溫度的承受能力較低（不能超過(guò)230℃），反吹閥已發(fā)生故障，且合成氣溫度較低時(shí)易結(jié)露堵塞布袋，可以借鑒殼牌粉煤氣化除塵方式，選擇更加可靠的陶瓷過(guò)濾除塵方式，合成氣塵含量可以降到5mg／m3以下。

（2）U－GAS氣化爐的排渣系統(tǒng)出現(xiàn)了問(wèn)題，使氣化爐內(nèi)灰渣不能連續(xù)排放，從而導(dǎo)致氣化爐床層高度不穩(wěn)定，給氣化爐操作帶來(lái)一定的難度。排渣系統(tǒng)是影響氣化爐操作穩(wěn)定的關(guān)鍵因素之一，所以排渣系統(tǒng)的優(yōu)化是亟需解決的問(wèn)題。該氣化爐排渣設(shè)計(jì)為螺旋冷渣機(jī)排渣方式，壓力提高后密封問(wèn)題和停車后重新啟動(dòng)困難問(wèn)題需要解決，可以借鑒魯奇爐刮刀固態(tài)排渣方式，估計(jì)較為理想。

4 結(jié) 論

兗礦混煤在U－GAS氣化爐上氣化的整個(gè)工藝流程基本滿足要求。煤的干燥和輸送系統(tǒng)正常，輸送系統(tǒng)的輸送量、回轉(zhuǎn)窯出口的外水含量均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。單臺(tái)冷渣機(jī)正常排渣亦可滿足滿負(fù)荷工況下氣化爐排渣要求。

兗礦混煤在U－GAS氣化爐試燒滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，有效氣（CO＋H2）含量達(dá)72%以上，比氧耗為300m3，比煤耗為0.91t（收到基），碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到96%以上，冷煤氣效率達(dá)到81.54%，裝置無(wú)三廢排放，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)理想，符合預(yù)期。

因此通過(guò)本次試燒證明兗礦混煤在U－GAS氣化爐上不僅能夠在滿負(fù)荷下長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行，而且操作靈活簡(jiǎn)便，負(fù)荷調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，氣體成分等各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好。表明該氣化技術(shù)煤種適應(yīng)性廣，對(duì)原料煤要求寬松，可以使用高灰熔點(diǎn)、高灰分、高硫、低發(fā)熱量的劣質(zhì)煙煤，只要發(fā)熱量大于12MJ／kg、粒度6mm以下均可使用，因此完全適應(yīng)于改造嶧化固定床氣化爐，真正實(shí)現(xiàn)原料煤本地化，徹底解決原料來(lái)源的問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

由于U－GAS氣化技術(shù)工業(yè)示范裝置的氣化壓力目前只有0.22MPa，與嶧化現(xiàn)有合成氨系統(tǒng)的匹配性較差，能耗偏高。如果氣化壓力提高到1.0MPa，與合成氨系統(tǒng)的匹配更加合理，能耗將大幅度降低，合成氨成本會(huì)更低，因此，該技術(shù)的市場(chǎng)前景廣闊。