灰分對(duì)煤氣化裝置運(yùn)行的影響

王德海

(中國(guó)神華煤制油化工有限公司北京工程分公司 北京 100010)

灰分對(duì)煤氣化裝置運(yùn)行的影響

王德海

(中國(guó)神華煤制油化工有限公司北京工程分公司 北京 100010)

從不同氣化爐本體運(yùn)行、黑水系統(tǒng)、能效等方面論述了煤灰分對(duì)煤氣化裝置運(yùn)行的影響。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)并通過(guò)理論分析，發(fā)現(xiàn)灰分對(duì)煤氣化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行及其經(jīng)濟(jì)性具有關(guān)鍵性的影響，有必要從灰組分及含量2個(gè)方面對(duì)氣化用煤進(jìn)行調(diào)控，從而保證氣化裝置的穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

灰分；煤氣化；運(yùn)行；影響

1 灰分對(duì)氣化爐的影響

1.1 對(duì)固定床氣化爐的影響

在固定床氣化爐內(nèi)，反應(yīng)物料堆積成床層，原料煤從上部入爐，氣化劑從底部進(jìn)入并穿過(guò)爐渣層后在氧化層與煤發(fā)生反應(yīng)，生成的粗煤氣依次穿過(guò)還原層、干餾層和干燥層從頂部管道引出。固定床氣化爐的這種結(jié)構(gòu)和反應(yīng)方式要求爐內(nèi)床層必須有合理的透氣性及機(jī)械強(qiáng)度，從而有效保證氧化層和還原層的氣固反應(yīng)正常進(jìn)行，并將產(chǎn)生的產(chǎn)品氣順暢導(dǎo)出氣化爐，同時(shí)產(chǎn)生的爐渣能夠順利地從底部排出。

為了保證還原層的正常工況，就必須要求氧化層充分燃燒以產(chǎn)生較高的溫度。氧化層溫度過(guò)高會(huì)發(fā)生灰渣熔融的現(xiàn)象，熔融的灰渣會(huì)降低渣層的透氣性，影響氣化劑的通過(guò)和均勻分布，從而導(dǎo)致氧化層的反應(yīng)不徹底并引起還原層的工況不穩(wěn)定，而灰分的組成決定了灰渣的熔融特性。在常壓固定床煤氣化爐用煤指標(biāo)中，通常以灰渣的軟化溫度(ST)為灰熔融特性溫度指標(biāo)對(duì)原料煤的適用性進(jìn)行判斷。對(duì)于固定床氣化工藝而言，要求氣化原料煤在氣化爐內(nèi)正常氣化時(shí)灰渣不出現(xiàn)熔融結(jié)渣現(xiàn)象，在氣化爐設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮設(shè)計(jì)煤種的適用性。所以，對(duì)于固定床氣化爐原料煤就需要規(guī)定一個(gè)合理的指標(biāo)，即對(duì)適用煤種灰分確定一個(gè)合理的熔融特性溫度區(qū)間，如果該煤的灰熔融特性溫度高于此指標(biāo)，正常氣化時(shí)煤灰不會(huì)發(fā)生熔融結(jié)渣，那么該煤種可作為氣化原料用煤，否則不適用于固定床氣化工藝。

鑒于煤化工行業(yè)的不斷發(fā)展，國(guó)家頒布并更新了《常壓固定床氣化用煤的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》(GB/T 9143—2008)，對(duì)氣化用煤的灰熔融性溫度指標(biāo)提出了具體的要求。GB/T 9143—2008將灰熔融特性溫度指標(biāo)界定為含灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤18%時(shí)為≥1 150 ℃和含灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)>18%時(shí)為≥1 250 ℃，這樣就把許多易于氣化但灰熔融特性溫度低于1 150 ℃的煤排除在氣化用煤范圍之外。由此可看出，灰分組成對(duì)固定床氣化用煤的選擇及氣化性能具有關(guān)鍵性的影響。

1.2 對(duì)流化床氣化爐的影響

流化床氣化爐的氣化溫度一般低于移動(dòng)床氣化爐，采用固體干法排渣，氣化爐的運(yùn)行主要受限于原料的反應(yīng)活性和灰熔點(diǎn)。煤的灰熔點(diǎn)對(duì)固態(tài)排渣工藝特別重要，煤氣化過(guò)程的一些關(guān)鍵工藝條件、設(shè)計(jì)參數(shù)(如水蒸氣氧氣比、氣化強(qiáng)度等)主要取決于煤的灰熔點(diǎn)?；曳值娜埸c(diǎn)直接影響氣化爐的操作溫度，如果煤的灰熔點(diǎn)低，則會(huì)限制氣化爐反應(yīng)溫度的提高，導(dǎo)致氣化爐的生產(chǎn)能力降低，同時(shí)容易發(fā)生結(jié)渣現(xiàn)象，影響正常操作。

一般常壓流化床氣化工藝的操作溫度控制在850～950 ℃，適合氣化反應(yīng)活性較高的褐煤、長(zhǎng)焰煤等煤種。加壓流化床氣化工藝的操作溫度隨著操作壓力升高可提高至1 100 ℃左右，為了防止原料煤灰分在高溫床層中軟化、結(jié)渣而破壞氣化劑在床層界面的均勻分布，最終導(dǎo)致出現(xiàn)溝流等不良現(xiàn)象，除了保持一定的流化速度外，要求煤的ST>1 250 ℃，氣化爐操作溫度一般選定在比ST低150～200 ℃范圍內(nèi)比較安全。對(duì)于灰融聚流化床氣化工藝，灰熔點(diǎn)過(guò)高反而不利于產(chǎn)生灰熔融或團(tuán)聚，所以為了保證正常的運(yùn)行，就需要增大射流的氧煤比以提高氣化爐的操作溫度。

正常運(yùn)行時(shí)，流態(tài)化床層中大部分是灰分，因此氣化爐運(yùn)行指標(biāo)和操作難易程度對(duì)原料煤的灰分含量遠(yuǎn)不如氣流床那樣敏感。流化床氣化工藝能氣化含灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%～50%的高灰煤，但煤中灰分含量過(guò)高對(duì)原料運(yùn)輸及整個(gè)氣化系統(tǒng)的運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)；同時(shí)，灰分含量的增加也加大了灰渣排放量，爐渣帶走一部分熱量導(dǎo)致熱損增大，降低了氣化爐的熱效率；此外，灰分含量的增加勢(shì)必要消耗一部分氣化反應(yīng)熱，導(dǎo)致有效氣含量降低，煤耗和氧耗升高。

原料煤的灰分含量是流化床氣化工藝煤耗的主要影響因素之一，灰分含量越低，原料煤耗越低。考慮到實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，目前國(guó)內(nèi)大都使用含灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%以下的煤?？偟膩?lái)看，流化床氣化爐運(yùn)行工況對(duì)原料煤灰分含量的變化不是特別敏感，但必須保證ST比氣化爐操作溫度高150～200 ℃。

1.3 對(duì)氣流床氣化爐的影響

灰分對(duì)氣流床氣化爐的影響是非常關(guān)鍵的，其中灰熔點(diǎn)是氣化爐設(shè)計(jì)時(shí)須考慮的關(guān)鍵因素之一。煤灰熔融溫度及黏溫特性決定了原料煤種的工藝適用性及氣化爐的操作溫度，而灰分的組成決定了灰渣的熔融溫度及黏溫特性。

煤灰是多種礦物組分組成的混合物，沒(méi)有確定的固液相的熔融溫度，煤灰的熔融存在一個(gè)較寬的溫度區(qū)間，灰組分的性質(zhì)及含量決定了煤灰熔融溫度及黏溫特性。研究發(fā)現(xiàn)[1]，煤灰中的硅、鋁、鈣、鐵、鈦、鎂等氧化物含量及灰渣熔融結(jié)晶礦物質(zhì)組成是決定煤灰流動(dòng)溫度的主要因素，其中煤灰中的SiO2含量對(duì)熔融煤灰的黏性影響較大，Al2O3含量對(duì)煤灰的熔點(diǎn)影響較大?？傮w而言，最終決定煤灰流動(dòng)溫度及黏溫特性的是酸性氧化物(SiO2+Al2O3+TiO2)與堿性氧化物(Fe2O3+CaO+MgO)總量及分量在煤灰中所占的比例。

經(jīng)過(guò)氣化后的灰渣形態(tài)有玻璃渣、結(jié)晶渣、塑性渣3種類型，煤灰中總堿含量和Al2O3含量會(huì)影響灰渣的類型。通常當(dāng)粗渣呈玻璃球狀時(shí)，氣化爐運(yùn)行工況較好，生產(chǎn)最穩(wěn)定；當(dāng)氣化粗渣為塑性渣時(shí)，下降管處容易結(jié)渣而發(fā)生堵塞，此時(shí)生產(chǎn)工況不易控制。灰渣成分中硅含量低且含Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)<24%的玻璃狀渣是較為理想的灰渣，有利于氣化爐工況的穩(wěn)定。

為保證氣流床氣化爐液態(tài)排渣順暢，一般要求工況下熔渣黏度值在25～40 Pa·s、下渣口溫度比灰熔點(diǎn)高150 ℃左右為宜。黏度值過(guò)高會(huì)導(dǎo)致排渣不暢；黏度值過(guò)低，液態(tài)渣會(huì)對(duì)熱壁爐的爐磚產(chǎn)生沖刷和侵蝕，會(huì)造成水冷壁氣化爐的水冷壁掛渣減薄，甚至無(wú)法掛渣。在灰分熔融溫度區(qū)間內(nèi)，灰分的黏溫曲線變化應(yīng)該盡量平緩，因?yàn)榛曳逐厍€出現(xiàn)突變易導(dǎo)致氣化爐下渣口及下降管處發(fā)生堵塞、激冷室內(nèi)件嚴(yán)重結(jié)垢。此外，灰組分的穩(wěn)定性也非常重要，當(dāng)灰組分發(fā)生變化時(shí)，灰渣的熔融及黏溫特性也隨之發(fā)生變化，氣化爐的工況也會(huì)發(fā)生改變，增大了操作難度，尤其是水冷壁氣化爐。

氣流床氣化爐的工藝特性決定了煤灰熔點(diǎn)過(guò)高或過(guò)低均不利于氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行?；胰埸c(diǎn)升高，迫使氣化爐操作溫度提高，高溫熔渣和氣體加劇沖刷氣化爐爐壁的向火面，加速爐磚的損耗。經(jīng)驗(yàn)表明，氣化爐操作溫度每提高100 ℃，耐火磚的磨蝕速率就會(huì)提高2倍。對(duì)水冷壁氣化爐，灰熔點(diǎn)升高容易造成爐壁掛渣脫落，引起工況波動(dòng)，嚴(yán)重的將導(dǎo)致爐壁燒穿。

灰分除了會(huì)對(duì)爐磚產(chǎn)生熱沖刷外，灰渣中的某些組分還會(huì)加速對(duì)氣化爐爐磚的侵蝕速度，縮短氣化爐爐磚的使用壽命[2]。如灰渣中的CaO增大了熔渣向磚內(nèi)的滲透深度，F(xiàn)e2O3加速了熔渣對(duì)耐火磚表面的沖刷損毀。此外，灰組分發(fā)生變化后，操作工況也會(huì)隨之改變，爐內(nèi)工況的交替變化將增大燒嘴向火面材料的應(yīng)力疲勞，燒嘴出現(xiàn)裂紋的概率增大。所以，灰組分對(duì)氣流床氣化爐的運(yùn)行穩(wěn)定性及使用壽命都有很大的影響。

2 灰分對(duì)黑水系統(tǒng)運(yùn)行的影響

煤氣化裝置黑水系統(tǒng)的主要作用是粗煤氣的激冷及洗滌，包括黑水閃蒸、沉淀處理及回用。由于煤炭本身的特性及氣化工藝特性，煤氣化裝置黑水系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境非常惡劣，因此黑水系統(tǒng)存在很多對(duì)裝置運(yùn)行構(gòu)成安全隱患的問(wèn)題，如結(jié)垢、磨損及腐蝕等，其中管道設(shè)備結(jié)垢表現(xiàn)得最為突出。黑水系統(tǒng)的嚴(yán)重結(jié)垢會(huì)直接影響氣化裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

黑水系統(tǒng)結(jié)垢的主要原因是由于煤氣化后的熔渣與水接觸，熔渣中的成垢物質(zhì)進(jìn)入黑水系統(tǒng)，在高溫?zé)嵝?yīng)及酸堿效應(yīng)的作用下，黑水中大量的成垢離子及固體懸浮物會(huì)在設(shè)備內(nèi)件表面及管道內(nèi)形成垢層。黑水中的成垢離子主要是Ca2+，Mg2+，Al3+，F(xiàn)e3+等，這些離子主要來(lái)源于煤中的灰分。黑水系統(tǒng)垢層的成分主要是碳酸鹽沉積物和硅酸鹽沉積物兩大類。碳酸鹽沉積物生成的物質(zhì)基礎(chǔ)主要是氣化過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳和黑水中的成垢離子，黑水的高溫?zé)嵝?yīng)促進(jìn)了沉淀的加速進(jìn)行。硅酸鹽沉積物生成的物質(zhì)基礎(chǔ)主要是灰分中的Cl-，SiO2等和黑水中的成垢離子，黑水的酸性環(huán)境促進(jìn)了硅酸鹽沉積物的生成。

黑水系統(tǒng)普遍存在結(jié)垢現(xiàn)象，這是由煤氣化的工藝特性決定的，但煤灰組分及其含量直接影響黑水系統(tǒng)結(jié)垢的速度及程度。除了灰組分及其含量外，氣化爐工況也會(huì)影響黑水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，氣化粗渣成渣率越高、細(xì)灰含量越低，黑水中的固體懸浮物及成垢離子濃度就會(huì)降低，反之黑水中的固體懸浮物及成垢離子濃度就會(huì)升高。所以，黑水的工況與氣化爐的工況是互動(dòng)關(guān)系，爐況操作不穩(wěn)定也會(huì)直接導(dǎo)致黑水系統(tǒng)的惡化。黑水系統(tǒng)主要的結(jié)垢部位包括氣化爐內(nèi)件、氣化爐黑水管線、激冷水管線及設(shè)備、洗滌塔和熱水塔內(nèi)件、除氧器。

(1) 氣化爐內(nèi)件是結(jié)垢比較嚴(yán)重的部位，尤其是下降管和上升管環(huán)隙間結(jié)垢、掛渣特別嚴(yán)重。一旦下降管嚴(yán)重結(jié)垢，粗煤氣通過(guò)激冷室的阻力大大增加，而且很容易發(fā)生嚴(yán)重偏流，導(dǎo)致激冷室液位不斷上漲，給氣化爐的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。

(2) 由于氣化爐和洗滌塔至高壓閃蒸罐的黑水管線內(nèi)的水質(zhì)非常差且溫度較高，所以很容易結(jié)垢，結(jié)垢嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響氣化爐及洗滌塔黑水的正常排放，使氣化爐的安全運(yùn)行受到威脅。

(3) 激冷水管線、激冷水過(guò)濾器、激冷水泵蝸殼及激冷環(huán)處都容易形成垢層。激冷環(huán)是保證下降管安全運(yùn)行和順利排渣的關(guān)鍵部件，如果發(fā)生結(jié)垢，會(huì)導(dǎo)致激冷水分布不均或水量不足，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致下降管被燒損或堵塞。激冷環(huán)結(jié)垢將縮短下降管的使用壽命并影響單爐的運(yùn)行周期，嚴(yán)重結(jié)垢會(huì)給氣化爐的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。

(4) 洗滌塔內(nèi)的塔盤一旦結(jié)垢，會(huì)直接影響塔盤的氣液分布，從而降低洗滌塔的洗滌效果，導(dǎo)致洗滌塔出口粗煤氣含塵量增加，加速變換單元催化劑的失效。熱水塔內(nèi)塔盤一旦結(jié)垢，會(huì)影響塔盤的氣液分布，進(jìn)而降低熱水塔的換熱效果，造成熱水塔換熱效率降低。

(5) 灰水在除氧器內(nèi)被蒸汽加熱，但由于受到灰水含鹽量高及除氧器內(nèi)熱效應(yīng)的影響，容易在除氧器內(nèi)形成結(jié)垢沉積。除氧器內(nèi)件結(jié)垢后，將降低除氧器的除氧效果，增大除氧蒸汽的消耗量。

3 灰分對(duì)氣化能效的影響

在備煤過(guò)程中，原煤須經(jīng)磨煤干燥或者制漿，在此過(guò)程中，棒磨機(jī)、煤漿攪拌機(jī)、煤漿泵、磨煤干燥機(jī)、熱風(fēng)爐、循環(huán)風(fēng)機(jī)等設(shè)備將部分功率消耗在灰分的加工制備及輸送方面，當(dāng)原煤灰分含量增加時(shí)，會(huì)明顯降低上述設(shè)備的有效功率，機(jī)械能耗增大。

在氣化過(guò)程中，灰分雖然不直接參與氣化反應(yīng)，但為了保證氣化爐工況穩(wěn)定、順利排渣和維持氣化爐的熱量平衡，都會(huì)消耗一部分熱量。對(duì)于灰融聚流化床氣化工藝和氣流床氣化工藝，無(wú)論是灰含量增加或者灰熔點(diǎn)升高，都須提高氧煤比以保證氣化爐工況的穩(wěn)定，這就需要更多的碳原子完全燃燒以滿足灰渣熔化所需的熱量。由于過(guò)多的碳完全燃燒，使粗合成氣中有效成分(CO+H2)含量降低，從而降低了氣化爐的冷煤氣效率。有研究采用Aspen Plus軟件對(duì)德士古氣化工藝進(jìn)行模擬，獲得了灰分對(duì)粗合成氣中有效氣體含量的影響趨勢(shì)[3]，模擬結(jié)果證明隨著原料煤中灰分含量的增加，合成氣中有效成分(CO+H2)含量逐漸降低，與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)相一致。

灰含量的增加也會(huì)導(dǎo)致排渣量及灰渣運(yùn)輸量增加，灰渣顯熱損失增大。對(duì)于流化床氣化工藝，灰含量的增加使煤氣出口飛灰?jiàn)A帶量增大，加速了分離設(shè)備的磨損。對(duì)氣流床氣化工藝，灰含量的增加使黑水中固含量增大，設(shè)備內(nèi)件及管道結(jié)垢加速，加快了管件、閥門等設(shè)備的磨損，使設(shè)備效能降低、工藝管線阻力降增大、激冷水量及整個(gè)黑水系統(tǒng)循環(huán)量增大、物料輸送能耗和機(jī)泵的機(jī)械能耗增加，同時(shí)也增大了垢下腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。所以，灰含量的增加會(huì)從整體上增加氣化裝置的能耗并降低氣化裝置的整體能效，同時(shí)增大了外排廢水量，加劇了環(huán)保壓力。

對(duì)于水煤漿氣化工藝，低灰分含量可提高氣化裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。有文獻(xiàn)表明[4]，在氣化條件相同的情況下，灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1%，氧耗增加0.7%～0.8%，煤耗增加1.3%～1.5%，但文中沒(méi)有給出比氧耗與比煤耗的比較基準(zhǔn)以及具體的論證和推導(dǎo)過(guò)程。有研究[5]根據(jù)煤氣化計(jì)算模型[6- 9]，通過(guò)物料衡算與熱量衡算的耦合，定量計(jì)算出GE水煤漿氣化工藝的比煤耗、比氧耗等氣化指標(biāo)，結(jié)果表明原煤中灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)每降低1%，干燥無(wú)灰基比煤耗降低約0.33%、比氧耗降低約0.72%。

但對(duì)于粉煤氣化工藝，灰分含量過(guò)高和過(guò)低對(duì)氣化裝置都不利，灰分過(guò)高會(huì)導(dǎo)致氧耗和煤耗增加；灰分過(guò)低則不利于水冷壁掛渣并導(dǎo)致熱損失增大，水冷壁渣層穩(wěn)定性降低，為了調(diào)整水冷壁掛渣，不得不降低負(fù)荷，由此導(dǎo)致氣化裝置的負(fù)荷不穩(wěn)定。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于粉煤氣化裝置，原煤灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在15%左右比較合理。

4 結(jié)語(yǔ)

煤炭本身的稟賦決定了氣化工藝的特點(diǎn)，氣化裝置所面臨的上述不利因素不可避免，但可以通過(guò)一些措施盡量降低此類不利因素的影響，提高裝置的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。灰分組成對(duì)氣化工藝的選型及氣化裝置的水系統(tǒng)、排渣系統(tǒng)、裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性及穩(wěn)定性都有很大的影響。

要降低上述不利因素的影響，首先應(yīng)嚴(yán)格控制氣化用煤的灰分指標(biāo)，加強(qiáng)對(duì)煤質(zhì)和灰渣的元素分析，及時(shí)了解入爐煤的灰分特性，穩(wěn)定灰渣的黏溫特性，以增強(qiáng)氣化爐的排渣或掛渣的穩(wěn)定性；其次，嚴(yán)格控制氣化用煤灰含量，全面降低氣化爐的熱損失；最后，加強(qiáng)黑水系統(tǒng)水質(zhì)情況的監(jiān)控，全面掌握系統(tǒng)水質(zhì)的變化情況，及時(shí)調(diào)整外排水量和藥劑添加量，適時(shí)控制水系統(tǒng)的水質(zhì)在合理的范圍內(nèi)[10]，以此控制黑水系統(tǒng)中成垢離子的濃度，減緩設(shè)備和管道的結(jié)垢速度。

由于煤的灰組分存在不穩(wěn)定性，所以建議大型煤氣化裝置設(shè)置配煤裝置來(lái)調(diào)整氣化用煤的灰分組成結(jié)構(gòu)，提高煤質(zhì)的穩(wěn)定性，或通過(guò)添加助熔劑來(lái)改善煤灰分的熔融及黏溫特性，從而提高氣化裝置的整體能效和環(huán)保指標(biāo)，有效提高設(shè)備的運(yùn)行周期及使用壽命，實(shí)現(xiàn)氣化裝置的長(zhǎng)周期平穩(wěn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

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EffectsofAshContentonOperationofCoalGasificationUnit

WANG Dehai

(Beijing Engineering Co., China Shenhua Coal to Liquid and Chemical Co., Ltd., Beijing 100010, China)

The effects of ash content on operation of coal gasification unit are discussed from aspects of operation of gasifier, black water system, energy efficiency etc. Based on practical operation experience and by theoretical analysis, it is found that ash content has crucial impact on stable operation of coal gasification unit and its economic efficiency. It is necessary therefore to regulate and control the coal for gasification from two aspects including ash composition and ash content, and thus to ensure steady and economical operation of gasification unit.

ash content; coal gasification; operation; effect

王德海(1979—)，碩士研究生，工程師，從事煤化工生產(chǎn)及工程技術(shù)工作；wangdehai@csclc.com

TQ546.2

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