固定床熔渣氣化爐排渣影響因素及其控制方法

陳 江 明

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013;3.煤基節(jié)能環(huán)保炭材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

我國(guó)能源以煤炭為主，實(shí)現(xiàn)煤的綜合清潔利用尤為重要[1]。以煤為原料的工業(yè)化氣化技術(shù)主要有德士古水煤漿加壓氣化、魯奇固定床加壓氣化、Shell粉煤加壓氣化方法等[2]，但普遍存在氣化壓力低、原料煤要求苛刻、廢水量大、殘?zhí)苛扛?、能耗高等諸多缺點(diǎn)，影響工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用[3]。固定床熔渣氣化技術(shù)具有氣化強(qiáng)度高，產(chǎn)氣量大，廢水產(chǎn)量低，有效氣(CO+H2)含量高，氧耗低，蒸汽利用率高，煤氣產(chǎn)率高，余熱回收成本低等特點(diǎn)[4]，實(shí)現(xiàn)了氣化爐降本增效的目的。國(guó)外對(duì)于固定床熔渣氣化的研究起源于英國(guó)愛丁堡附近的西田煤氣化實(shí)驗(yàn)廠，利用英國(guó)燃?xì)夤炯夹g(shù)在原德國(guó)魯奇固定床加壓氣化的基礎(chǔ)上，將原來魯奇的固態(tài)排灰改為液態(tài)排渣[5]。自20世紀(jì)七八十年代技術(shù)開發(fā)至20世紀(jì)90年代初，經(jīng)過大量試驗(yàn)爐試燒和工業(yè)化應(yīng)用，氣化反應(yīng)溫度提高，氣化用蒸汽減少，氣化效率和氣體成分改進(jìn)，廢水排放量減少。國(guó)內(nèi)對(duì)于固定床熔渣氣化的研究最早于2005年云南某公司將一臺(tái)2.3 m魯奇加壓氣化爐設(shè)計(jì)改造為液態(tài)熔渣氣化爐，目前低負(fù)荷維持運(yùn)行[6]。

煤在熱轉(zhuǎn)化過程中礦物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榛曳?，而煤灰熔融特性不僅是評(píng)價(jià)工業(yè)用煤的主要指標(biāo)，也是煤灰結(jié)渣特性的重要參數(shù)，直接影響煤氣化[7]。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)煤氣化技術(shù)屬于固定床氣化，固定床液態(tài)熔渣氣化技術(shù)優(yōu)點(diǎn)較多，因此研究煤灰熔融特性及排渣控制方法尤為重要。煤灰是一種極為復(fù)雜的物質(zhì)，在高溫下其礦物質(zhì)組成和含量難以確定。劉新兵等[8]認(rèn)為堿金屬氧化物以游離形式存在時(shí)能顯著降低煤灰熔融溫度。Ryo等[9]研究土耳其褐煤，認(rèn)為在氧化氣氛中，褐煤灰中Na2和K2O具有助熔效果。本文以某地褐煤為研究對(duì)象，研究煤灰熔融溫度、酸堿度、灰渣特性以及煤灰中化學(xué)組成含量對(duì)灰熔融特性的影響，分析固定床熔渣氣化爐液態(tài)排渣影響因素。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)以某地區(qū)褐煤為原料，每間隔10 d取一煤樣，分別命名為煤樣1、2、3，均為內(nèi)蒙古某公司固定床熔渣氣化爐使用煤樣，3個(gè)煤樣性質(zhì)分析見表1。由表1可知，試驗(yàn)煤樣為比較年輕的褐煤，水分高、灰分高、發(fā)熱量低、熱穩(wěn)定性差、受熱易粉化，不利于固定床熔渣氣化爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 原煤性質(zhì)Table 1 Properties of raw coal

1.2 試驗(yàn)原理

煤在固定床熔渣氣化爐中的氣化過程從上往下可分為:干燥層、干餾層、氣化層、燃燒層、熔渣層。燃燒層中心溫度最高可達(dá)2 000 ℃，將煤中灰分熔化并與助熔劑混合形成黏度<10 Pa·s流動(dòng)性能良好的液態(tài)渣[10]，液態(tài)渣在渣池內(nèi)形成一定高度的渣池液位，確保渣池內(nèi)各組分浸潤(rùn)融合。液態(tài)渣在排渣口處靠自身表面張力和氣化爐下激冷室內(nèi)的環(huán)形燒嘴火焰的張力托住。液態(tài)渣達(dá)到既定高度時(shí)通過渣池壓差判斷開始下渣，下渣調(diào)節(jié)系統(tǒng)維持激冷室和氣化爐之間較低的壓差，液態(tài)渣在重力作用下排入渣激冷室激冷后碎裂成2～3 mm玻璃態(tài)渣，其通過激冷室和渣鎖收集后間斷排出系統(tǒng)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

固定床熔渣氣化爐包括爐體、煤鎖、渣鎖、中間短接、過渡倉(cāng)、激冷室6部分，其爐體是核心設(shè)備。熔渣氣化爐爐體簡(jiǎn)單，采用常規(guī)壓力容器材料即可制成，爐體設(shè)置雙層水冷夾套，夾套內(nèi)壁內(nèi)襯耐火材料，其中噴嘴、渣池、燒嘴及間歇排渣系統(tǒng)為專有技術(shù)。排渣系統(tǒng)核心設(shè)備及控制流程如圖1所示。

圖1 熔渣氣化爐下渣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Slagging system structure of molten slagging gasifer

2 渣的特性對(duì)排渣過程的影響

2.1 煤層灰組分分布

某公司某臺(tái)次固定床熔渣氣化爐停車后從氣化爐人孔距離渣池不同高度煤樣的灰分、揮發(fā)分、灰熔融溫度如圖2所示。橫坐標(biāo)表示氣化爐人孔離熔渣區(qū)的高度，氣化爐內(nèi)深度越深，代表離熔渣區(qū)越近。

圖2 煤中灰分、揮發(fā)分和灰熔融溫度分析Fig.2 Analysis of ash composition,volatile and ash melting temperature

由圖2可知，在氣化爐人孔處往下至8.5 m處，煤中灰分逐漸增高，8.5 m以下屬于渣池部位。

在氣化爐人孔處往下至4.0 m處，煤中揮發(fā)分較高，此區(qū)域?qū)儆诟绅s區(qū)和干燥區(qū)，4.0 m以下?lián)]發(fā)分大幅降低，進(jìn)入氣化區(qū)。整個(gè)煤層中，DT在1 033～1 174 ℃，ST在1 138～1 195 ℃，HT在1 154～1 210 ℃，F(xiàn)T在1 135～1 265 ℃，變化區(qū)間較小。

2.2 渣中各灰組分對(duì)熔融溫度的影響

對(duì)于液態(tài)排渣氣化爐來說，煤灰熔融溫度低有利于液態(tài)渣的形成。煤灰的化學(xué)組成較復(fù)雜，由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TiO2和SO3等構(gòu)成。其中SiO2、Al2O3、TiO2為酸性氧化物，含量越高，煤灰熔融性溫度越高;Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O為堿性氧化物，含量越高，煤灰熔融溫度越低。煤灰的主要組分為SiO2、Al2O3、CaO，若不考慮灰組分中其他微量組分的影響，通常根據(jù)三元相圖可知煤灰中由SiO2、Al2O3、CaO三者含量交集部分是液態(tài)排渣的理想?yún)^(qū)域。

2.2.1 SiO2/Al2O3對(duì)灰熔融溫度的影響

煤灰中SiO2+Al2O3含量增加，煤灰FT增大。對(duì)于低硅煤，SiO2/Al2O3≈1，熔融時(shí)生成多鋁紅柱石，在熔體中具有很高的熔解溫度。SiO2/Al2O3≥1時(shí)，煤灰中還存在含硅氧化物和硅酸鹽礦物等，其熔融時(shí)會(huì)與其他組分形成低熔融溫度的共熔體，使灰熔融溫度下降[11]。

2.2.2 Al2O3對(duì)灰熔融溫度的影響

Al2O3能顯著提高煤灰熔融溫度。煤灰熔融時(shí)Al2O3起“骨架”作用，含量越多，灰熔融溫度越高。煤灰中Al2O3含量>40%時(shí)，F(xiàn)T超過1 500 ℃。

2.2.3 CaO對(duì)灰熔融溫度的影響

CaO是堿金屬氧化物，易與SiO2作用形成灰熔融溫度較低的硅酸鹽，由于煤灰中SiO2含量較高，高溫時(shí)與CaO形成復(fù)合硅酸鹽，CaO可降低灰熔融溫度。單體CaO熔點(diǎn)為2 590 ℃，CaO含量>50%時(shí)，CaO能提高灰熔融溫度。研究表明，煤灰中SiO2/Al2O3<3，CaO含量在30%～35%時(shí)，灰熔融溫度最低;SiO2含量>50%，SiO2/Al2O3>3，CaO含量在20%～25%時(shí)，灰熔融溫度最低。煤灰中CaSO4也可降低灰熔融溫度，但不如CaO顯著[12]。

2.2.4 Fe2O3對(duì)灰熔融溫度的影響

Fe2O3的助熔效果與煤灰所處的氣氛性質(zhì)有關(guān)。煤灰中的鐵有Fe2O3、FeO、Fe三種價(jià)態(tài)。氧化性氣氛中鐵以Fe2O3形式存在，強(qiáng)還原性氣氛中以Fe單質(zhì)形式存在，弱還原性氣氛中以FeO形式存在，熔點(diǎn)最低。由于弱還原性氣氛中FeO與SiO2、CaO等物質(zhì)形成鐵橄欖石(2FeO·SiO2、熔點(diǎn)1 205 ℃)、鐵鈣橄欖石等低溫共熔化合物，因此氧化性氣氛下的熔融溫度比弱還原性氣氛高50～170 ℃。

某公司煤灰熔融溫度分析結(jié)果見表2。序號(hào)1～6分別為6臺(tái)次非正常停車均為堵渣情況下的渣池樣品編號(hào)。由表2可知，該公司褐煤FT一般在1 250 ℃，屬于低灰熔融溫度煤，完全可以滿足固定床熔渣氣化爐的運(yùn)行需求，但液態(tài)排渣還需要渣具有很好的流動(dòng)性，即對(duì)渣的黏度也有要求。

表2 某公司煤灰熔融溫度分析Table 2 Analysis of ash melting temperature

2.3 渣的黏度

灰渣黏度低有利于液態(tài)排渣，黏度太低又會(huì)造成氣化爐內(nèi)高壓冷卻水處掛渣困難，甚至燒蝕內(nèi)襯;渣黏度高，不利于液態(tài)渣排出，甚至堵塞下渣口。液態(tài)排渣氣化爐的渣黏度在2～25 Pa·s較為適宜?；以ざ扔晒杷猁}熔體結(jié)構(gòu)決定，陽(yáng)離子種類和各離子濃度對(duì)聚合作用有重要意義。從灰組成氧化物含量來看，一般堿性氧化物降低黏度，酸性氧化物增加黏度，中性氧化物Al2O3在堿度高時(shí)增加黏度，堿度低時(shí)降低黏度。在弱還原氣氛下，F(xiàn)e3+易被還原為Fe2+，使灰渣黏度降低。某公司煤樣灰組分均值分析見表3。由表3可知，渣的黏度很高，流動(dòng)性差，不利于液態(tài)渣排出，主要是渣中SiO2含量很高達(dá)到56.07%，該渣在1 400 ℃下渣的黏度達(dá)到65 Pa·s，黏度過高無法排渣，可添加石灰石來調(diào)整渣中CaO/SiO2值，以達(dá)到降低灰渣黏度的目的。

表3 某公司灰組分分析Table 3 Analysis of ash composition %

2.4 渣的礦物形態(tài)

由于石灰石是以石塊形式添加進(jìn)爐，理論上按照比例計(jì)算可達(dá)到要求，但渣中CaO要與灰渣充分融合形成一定礦物形態(tài)的渣才有利于灰渣排出。因此在渣池中要有液態(tài)渣浸潤(rùn)，使固態(tài)石灰石與灰渣融合，形成較好形態(tài)的低熔點(diǎn)共熔物。Fe在渣中盡可能以FeO形式存在，F(xiàn)eO與CaO、SiO2、Al2O3形成低熔點(diǎn)共熔物，以Fe2O3形式存在形成高熔點(diǎn)共熔物。鐵與熔渣相關(guān)參數(shù)對(duì)比見表4。由表4可知，由于Fe的密度比液態(tài)灰渣高很多，如果渣池中有大量單質(zhì)鐵存在會(huì)與渣分層，不利于下渣。由于液態(tài)單質(zhì)鐵黏度遠(yuǎn)低于熔渣黏度，下渣時(shí)單質(zhì)鐵先流到下渣口，液態(tài)鐵熱量被下渣口冷卻水帶走，由于鐵的比熱容比熔渣低，液態(tài)鐵溫度下降更快，如果達(dá)到鐵的凝固點(diǎn)，下渣口很容易掛鐵塊甚至堵塞。

表4 鐵與熔渣相關(guān)參數(shù)對(duì)比Table 4 Comparison of relative parameters betweenFe and molten slag

2.5 渣池溫度

熔渣黏度與溫度的關(guān)系如圖3所示。圖中T1為酸性與堿性渣黏度相同時(shí)的渣溫;T2為黏度一定時(shí)，堿性渣的渣溫小于酸性渣;T3為黏度一定時(shí)，酸性渣的渣溫大于堿性渣。由圖3可知，渣池溫度越高，渣的黏度越低，流動(dòng)性越好，但溫度太高影響設(shè)備安全。因此，在保證設(shè)備安全的前提下，應(yīng)盡可能使渣池保持較高溫度，利于下渣。為控制渣的FT在1 400 ℃左右，一般渣溫要高出FT 150 ℃，渣池的溫度控制在1 550 ℃較為適宜，火焰溫度控制在1 750 ℃左右，通過火焰溫度來控制渣池溫度。

圖3 熔渣黏度與溫度的關(guān)系Fig.3 Relationship between viscosity and temperature of molten slag

3 排渣控制方法

3.1 石灰石添加量

灰渣黏度及熔點(diǎn)與石灰石添加量的關(guān)系如圖4所示。由于煤灰組分中SiO2含量高，渣的黏度高，通過添加石灰石來降低渣的黏度。但CaO熔點(diǎn)較高，隨石灰石用量增加，渣的黏度降低，渣的灰熔融溫度先降低后升高。煤的灰分也影響石灰石添加量，如果灰分高，則石灰石添加量要多，灰分低，則石灰石添加量少。某公司褐煤灰分13%，石灰石添加量在5%～6%。

圖4 灰渣黏度及灰熔融溫度與石灰石添加量的關(guān)系Fig.4 Relationship between viscosity together with ash fusion temperature of slag and limestone additive

3.2 入爐煤粒度控制

入爐煤粒度分布關(guān)系到氣化爐床層的均勻程度、通透性，一旦分布不合理將造成氣化爐內(nèi)煤氣的偏流、溝流等，影響正常生產(chǎn)。渣池處于弱還原狀態(tài)有利于下渣，渣中Fe盡可能以FeO形式存在，如果煤粒過大，床層下移過程中，反應(yīng)速度有限，大煤塊尚未完全反應(yīng)就進(jìn)入渣池。碳具有還原性，會(huì)將氧化態(tài)鐵還原成單質(zhì)鐵，不利于下渣，因此應(yīng)控制入爐煤粒度，使進(jìn)入渣池的煤盡可能少。因此通過破碎篩分等控制入爐煤粒度在6～50 mm，大于50 mm含量小于5%。

3.3 燒嘴系統(tǒng)各流量參數(shù)控制

3.3.1 余氧控制

氣化爐正常運(yùn)行時(shí)，燒嘴系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)火焰運(yùn)行，燃料氣與氧氣反應(yīng)完后尚有部分氧氣富余，稱為余氧百分比(富余氧氣量/上升煙氣量)。此部分余氧為消耗渣池中煤，減少了渣池中的還原物質(zhì)，盡可能減少單質(zhì)鐵產(chǎn)生。但余氧又不能過高，否則會(huì)降低火焰溫度，不利于維持下渣口溫度。且氧氣富余過多會(huì)完全消耗渣池中碳，使渣池部分熔渣處于氧化環(huán)境，氧化環(huán)境的渣熔點(diǎn)比還原環(huán)境中高，F(xiàn)e在渣中以Fe2O3形式存在形成的是高熔點(diǎn)共熔物，不利于下渣。因此，如果控制好入爐煤粒度，控制進(jìn)入渣池的煤量，則燒嘴系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)火焰的余氧一般控制在7%左右，使渣池處于弱還原態(tài)。不同渣的弱還原態(tài)表現(xiàn)不同，就某公司來說，最佳狀況是渣的顏色處于橄欖綠且渣中只含有極少量的金屬單質(zhì)鐵顆粒。

3.3.2 一次空氣與低燃料氣量的控制

氣化爐下渣時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量濃煙無法看到火焰和下渣狀況，這主要是由于下渣時(shí)燃料氣量和一次空氣量不平衡。一次空氣的主要作用是與燃料氣充分接觸，完全燃燒形成較好的火焰形態(tài)。

低燃料氣量與一次空氣量平衡關(guān)系為

λ=0.21A/B

式中，λ為燃料氣總量過氧系數(shù);A為一次空氣量，Nm3/h;B為低燃料氣量，Nm3/h。

若使用外購(gòu)純天然氣過氧系數(shù)為1.21～1.23，若使用自產(chǎn)燃料氣過氧系數(shù)為0.95～0.97。下渣時(shí)一次空氣量不足以使燃料氣完全反應(yīng)，就會(huì)產(chǎn)生濃煙(圖5(a))，否則就不會(huì)產(chǎn)生濃煙(圖5(b))。

圖5 下渣有濃煙和無濃煙Fig.5 Heavy smoke and no smoke of slagging

3.3.3 燒嘴火焰溫度控制

渣池內(nèi)溫度主要靠爐內(nèi)燃燒反應(yīng)提供的熱量和燒嘴產(chǎn)生的煙氣上升帶來的熱量維持，因?yàn)楦邏豪鋮s水要帶走部分熱量，尤其是下渣口處溫度主要靠燒嘴燃料氣燃燒產(chǎn)生的熱量來維持。下渣溫度一般比渣的FT高150 ℃。某公司用煤灰熔融溫度在1 250 ℃左右，由于添加石灰石調(diào)整液態(tài)渣黏度，渣的FT控制在1 400 ℃左右，那么需控制渣池溫度在1 550 ℃。燒嘴火焰溫度盡可能控制在1 750 ℃以上。主要通過調(diào)整燃料氣量、空氣量和氧氣量來調(diào)整火焰溫度，燃料氣組成發(fā)生變化時(shí)也要及時(shí)調(diào)整燒嘴系統(tǒng)各氣體用量維持火焰溫度在1 750 ℃。

3.4 蒸氧比控制

氣化渣池溫度主要通過調(diào)整蒸氧比控制。相同負(fù)荷，蒸氧比越高，渣池溫度越低，蒸氧比越低，渣池溫度越高。針對(duì)某公司所用褐煤，較低的蒸氧比有利于氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行，但太低時(shí)氣化爐的碳化硅耐火磚在氧化條件下極易燒蝕，尤其在開車階段，剛投蒸氧時(shí)爐內(nèi)工況不穩(wěn)定，極易發(fā)生偏燒和回火，損壞鼓風(fēng)口和耐火磚，因此投蒸氧初期蒸氧比稍高，隨后再緩慢降低。實(shí)踐證明，蒸氧比控制在0.90～0.95 kg/Nm3運(yùn)行較為穩(wěn)定。蒸氧比過低有利于液態(tài)熔渣的形成，但高溫容易燒毀耐火材料。

3.5 排渣液位控制

氣化爐渣池中同時(shí)存在液固兩相，其中有熔融的渣、半熔的渣、未熔的石灰石以及未反應(yīng)的少量煤。由于鐵的存在，氣化爐的渣不能完全熔融，還有部分液態(tài)單質(zhì)鐵分布渣池中。

氣化爐反應(yīng)中心溫度高達(dá)2 000 ℃以上，反應(yīng)溫度從中心向四周逐漸下降，在中心區(qū)首先形成液態(tài)渣，渣向四周流動(dòng)，并與助熔劑浸潤(rùn)形成低熔點(diǎn)和低黏度的可流動(dòng)渣。渣池的液位控制要求保證形成液態(tài)渣的浸潤(rùn)，否則會(huì)造成渣池內(nèi)固態(tài)渣積累，導(dǎo)致懸渣或下渣口堵塞;同時(shí)要求液態(tài)渣不能淹沒鼓風(fēng)口，否則將堵塞鼓風(fēng)口，影響氣化劑的均勻分布。

渣池壓差反映了渣池中的液態(tài)渣量。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況計(jì)算，下渣口下渣量約10 kg/s。在氣化爐切氧初期，氧氣負(fù)荷較低，切氧后30 min平均負(fù)荷為3 700 Nm3/h，若不考慮焦炭消耗，渣量為1.28 t，相當(dāng)于0.51 m3渣池體積，在渣池中高度為0.88 m，切氧后的1 h平均負(fù)荷為4 000 Nm3/h，不考慮焦炭消耗，渣量為2.75 t，相當(dāng)于1.09 m3渣池體積，在渣池中高度為1.08 m，渣池實(shí)際高度為1.983 m。因此在切氧初期可建立一定的渣池液位，切氧后30 min或1 h后再開始下渣，正常運(yùn)行時(shí)渣池壓差達(dá)到49 kPa開始下渣。開車初期，可根據(jù)渣池壓差來判斷，先手動(dòng)下渣，根據(jù)渣池壓差情況適量下渣(壓差高說明渣量多，下渣時(shí)間可適當(dāng)延長(zhǎng)，壓差低說明渣量少，縮短下渣時(shí)間或不下渣)。

4 結(jié) 論

1)通過煤質(zhì)分析選擇合適的煤種，控制灰分中酸堿比，煤灰中SiO2/Al2O3比率小于3.0，CaO含量在30%～35%時(shí)，灰熔融溫度最低;SiO2含量大于50%，同時(shí)SiO2/Al2O3比率在3.0以上的煤灰，CaO含量在20%～25%時(shí)灰熔融溫度最低。

2)選擇合適的石灰石添加量，控制液渣黏度小于10 Pa·s。CaO要與灰渣充分混合，形成共融體;控制渣溫在1 550 ℃左右，防止高溫單質(zhì)Fe析出。

3)控制燒嘴系統(tǒng)余氧系數(shù)在1.5左右，燒嘴火焰溫度1 700～1 800 ℃;噴嘴流速140 m/s，蒸氧比0.90～0.95 kg/Nm3;控制渣池高度在1.48 m，對(duì)應(yīng)壓差為47～49 kPa，渣池壓差每次降至37 kPa后重新建立渣池液位;避免氣化爐偏燒問題，保證氣化爐火層分布均勻燃燒充分，防止偏燒造成結(jié)渣。