褐煤在殼牌氣化工藝下行水激冷氣化裝置中的應(yīng)用

鄢 僖，汪云川，唐 博，葛方秋

(呼倫貝爾東明礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021500)

1 前言

呼倫貝爾金新化工有限公司(以下簡稱“金新化工”)殼牌下行激冷煤氣化裝置始建于2014-05， 2016-06-18試車投產(chǎn)。煤氣化裝置采用荷蘭殼牌下行激冷粉煤加壓氣化技術(shù)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)粗合成氣中有效氣體(CO+H2)為60 000 m3/h，為下游裝置補(bǔ)充合成氣。該裝置主要包括以下工藝單元及過程：原料煤預(yù)干燥、磨煤與干燥、粉煤加壓輸送、煤氣化與合成氣冷卻、除渣、濕洗、灰水處理、公用工程。

煤氣化裝置開車過程中使用N2進(jìn)行粉煤加壓輸送，待負(fù)荷提高低溫甲醇洗有充足CO2產(chǎn)品氣時，將CO2產(chǎn)品氣回收代替N2來進(jìn)行粉煤加壓輸送，此過程將大幅降低粗合成氣中N2含量。

2019-09起金新化工8 000 m3/h空分并氧后SHELL下行激冷煤氣化裝置氧負(fù)荷為設(shè)計(jì)負(fù)荷的93.4%(包含停車期間在內(nèi))運(yùn)轉(zhuǎn)率為94.6%。

Shell下行水激冷氣化工藝以干煤粉為原料、純氧氣作為氧化劑，液態(tài)排渣，屬加壓氣流床氣化。煤粉、氧氣在氣化爐高溫加壓條件下發(fā)生碳的氧化及各種轉(zhuǎn)化反應(yīng)。氣化爐溫度約1 300 ℃～1 500 ℃，爐內(nèi)的高溫粗煤氣與渣一同從氣化爐底部出來，粗煤氣和渣在下降管處利用循環(huán)的高壓灰水對其進(jìn)行激冷和洗滌，粗煤氣在氣化爐渣池浸沒洗滌后，經(jīng)管道輸送至濕洗系統(tǒng)，處理后的合成氣送后續(xù)工序。

2 東明礦業(yè)煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

為精確調(diào)整金新化工SHELL下行水激冷裝置工況，呼倫貝爾東明煤礦的原料褐煤自2019-08起每天進(jìn)行煤質(zhì)分析，其中截取2020-03分析數(shù)據(jù)如表1。

表1 東明煤礦褐煤分析數(shù)據(jù)Tab.1 Analysis data of lignite in Dongming Coal Mine

從表1可以看出，雖然原料均來自東明礦的露天褐煤，但仍存在較大的煤質(zhì)波動。其中對氣化爐運(yùn)行影響較大的組分單周波動CaO為3.96%、Fe2O3為11.34%、Al2O3為7.31%、SiO2為9.16%、灰分為7.66%。因此，要保證氣化裝置安穩(wěn)長滿優(yōu)運(yùn)行，必須保持對煤質(zhì)的高度關(guān)注并及時調(diào)整優(yōu)化操作控制及石灰石配比。

3 煤質(zhì)波動

原料褐煤煤質(zhì)波動對SHELL下行水激冷裝置的影響較大，一旦發(fā)生煤質(zhì)波動時應(yīng)如何調(diào)整降低因煤質(zhì)波動而對設(shè)備造成的損害。

3.1 煤質(zhì)波動對SHELL下行水激冷氣化裝置影響

以2020-04第三周波動情況為例。由于原料煤倒堆，導(dǎo)致至殼牌裝置的原料煤煤質(zhì)出現(xiàn)大幅波動。這次造成殼牌裝置工況大幅波動的原因是原料煤灰分大幅上漲。具體反映到工藝參數(shù)中的表現(xiàn)是當(dāng)高灰分煤入爐后，產(chǎn)生渣量急劇增加，致使氣化爐壁掛渣增厚，反應(yīng)到水汽系統(tǒng)參數(shù)變化為熱負(fù)荷快速下降，為維持渣池厚度必須增加氧煤比，因此氧煤比快速增加約16%，此時CO2上漲至13% CH4下降至140 mg/kg，通過合成氣組分作為佐證說明氣化爐溫度反應(yīng)已經(jīng)開始上漲并且溫度處于偏高狀態(tài)，但熱負(fù)荷上漲并不明顯。直至某一刻水汽系統(tǒng)熱負(fù)荷快速上漲，這說明掛在爐壁上過厚的掛渣瞬間垮落。后因爐壁垮渣熱負(fù)荷過于高又快速下調(diào)氧煤比，直至熱負(fù)荷穩(wěn)定，波動期間趨勢見圖1。

圖1 煤質(zhì)波動期間氣化爐工況趨勢Fig.1 Working condition trend of gasifer during coal quality fluctuation

此類波動如不及時準(zhǔn)確調(diào)整極有可能因掛渣過厚造成其沒過燒嘴罩導(dǎo)流槽，最終產(chǎn)生翻渣燒損燒嘴罩導(dǎo)致停車。此次波動過程操作存在較大缺陷，氧煤比調(diào)整較晚，后期調(diào)整幅度過快最終導(dǎo)致氣化爐壁垮渣熱負(fù)荷飆升，這種氣化爐垮渣對于SHELL廢鍋流程氣化裝置會造成嚴(yán)重影響，對于SHELL下行水激冷氣化裝置影響相對較小但也存在風(fēng)險，在垮渣過程中若有大量渣流流經(jīng)燒嘴罩導(dǎo)流槽同樣會造成翻渣燒壞燒嘴罩。

3.2 原煤波動時調(diào)整方式

最根本且有效的解決辦法是控制褐煤源頭，使其在開采倒運(yùn)過程中保證煤質(zhì)相對穩(wěn)定。減少換坑、倒堆次數(shù)，每天對原料煤進(jìn)行煤質(zhì)分析，做到煤質(zhì)變化早發(fā)現(xiàn)、早調(diào)整。

3.2.1 石灰石配比調(diào)整

東明煤礦輸送原料煤的在煤質(zhì)變化中，灰分、SiO2、CaO的變化對SHELL下行水激冷裝置的影響最大，根據(jù)殼牌要求雖然灰分含量控制在8%～35%之間均可以適用于SHELL下行水激冷裝置，灰分含量大或小對于殼牌氣化爐都可安全穩(wěn)定運(yùn)行，但更關(guān)鍵的是入爐煤灰分含量要相對穩(wěn)定，當(dāng)灰分含量波動大，氣化爐在運(yùn)行過程中不做調(diào)整將非常危險?；曳趾慨惓Ｗ兇笕菀追⒁缭鼰龘p燒嘴罩，嚴(yán)重甚至堵塞渣口，灰分含量異常變小又會燒損水冷壁。所以要做到裝置安全穩(wěn)定長周期運(yùn)行，就要對煤質(zhì)進(jìn)行有效監(jiān)控，并及時調(diào)整石灰石添加比例。

自2019-08起對于東明礦業(yè)輸送進(jìn)廠的原料褐煤進(jìn)行每日煤質(zhì)分析。并根據(jù)每日的原煤分析數(shù)據(jù)及時調(diào)整石灰石添加量。石灰石添加量按照該公式進(jìn)行計(jì)算。

DSP=((2.05+(Aad-11) ×0.1)-0.05)×2.1Hz

式中：DSP——石灰石添加量，%；Aad——原煤分析的灰含量,%；Hz——X1106輸入頻率。

同時從管理上提高重視，將石灰石添加納入勞動競賽嚴(yán)格按比例要求添加，確保渣分析中CaO在15%～23%之間。

3.2.2 氧煤比調(diào)整

對于原料煤質(zhì)波動，氧煤比的調(diào)整是最后一道關(guān)口，當(dāng)煤質(zhì)、石灰石配比發(fā)生變化后最終進(jìn)入氣化爐反應(yīng)時影響到氣化爐的操作窗口，會使操作窗口改變、操作范圍變窄、容錯率降低。此時精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)氧煤比尤為關(guān)鍵。

在氣化爐工況正常期間，氧煤比調(diào)整按照每10 min 2%進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時參考CO2含量，應(yīng)控制在9.5%～10.5%。當(dāng)CO2含量在9.5%～10.5%范圍內(nèi)時按照每10 min 1%進(jìn)行調(diào)節(jié)。

當(dāng)氣化爐煤質(zhì)發(fā)生變化引起波動時，應(yīng)在熱負(fù)荷偏離初期及時進(jìn)行調(diào)整，在判斷氣化爐工況確實(shí)發(fā)生變化熱負(fù)荷顯示為“真值”時應(yīng)適當(dāng)加快氧煤比調(diào)節(jié)速度(但是氧煤比調(diào)整每小時調(diào)整不得超過±0.02)同時參考合成氣組分，重點(diǎn)參考CO2與CH4通過合成氣組分判斷氣化爐內(nèi)溫度已發(fā)生明顯變化而熱負(fù)荷變化不大時，應(yīng)適當(dāng)放緩氧煤比調(diào)整速度，因氣化爐內(nèi)渣層變化需要一個過程，這導(dǎo)致熱負(fù)荷根據(jù)渣層厚度的不同存在一定程度的滯后性。調(diào)整時需給渣層變化過程預(yù)留些時間，避免過度調(diào)整。

4 褐煤在裝置制粉加工、儲存過程中的安全風(fēng)險及優(yōu)化改進(jìn)

由于褐煤高揮發(fā)份、高水含量、活性高、易自燃的特點(diǎn)，在應(yīng)用過程中存在較高的安全風(fēng)險，尤其在預(yù)干燥單元存在的風(fēng)險更高。由于預(yù)干燥單元的先天工藝問題在褐煤干燥過程中無法使用大量氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)，預(yù)干燥單元在運(yùn)行過程中只能依靠褐煤中蒸發(fā)出的水汽對系統(tǒng)中的空氣進(jìn)行稀釋從而實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行的目的，這對操作順序提出了一定要求，若在操作過程中出現(xiàn)錯誤極易發(fā)生重大安全事故。預(yù)干燥單元的風(fēng)險控制在整個氣化過程中非常關(guān)鍵。

4.1 褐煤自燃條件

通過德國澤馬格對公司褐煤的研究，在空氣中，也就是氧含量為21%的氣氛中，金新褐煤的自燃溫度約為100 ℃；而在氧含量為13%，金新褐煤的燃點(diǎn)溫度至少要在330 ℃以上才自燃。并且褐煤自燃溫度其粒徑越細(xì)，自燃風(fēng)險越高。氧含量越高，褐煤越容易自燃。溫度越高褐煤越容易自燃。

由于預(yù)干燥單元運(yùn)行過程中只能通過褐煤蒸發(fā)的水氣對氧氣進(jìn)行稀釋，在控制措施上可監(jiān)控系統(tǒng)露點(diǎn)，露點(diǎn)與系統(tǒng)氧含量的對應(yīng)關(guān)系如表2。

表2 露點(diǎn)與氧含量對應(yīng)表Tab.2 Corresponding table of dew point and oxygen content

4.2 控制措施

從表2可以看出，露點(diǎn)越高，預(yù)干燥濕氣中氧含量越低，系統(tǒng)越安全；但過高的露點(diǎn)，對應(yīng)的濕氣溫度也越高，需要預(yù)干燥出口溫度越也高。這就形成了一個矛盾統(tǒng)一體；從已有的經(jīng)驗(yàn)表明，在110 ℃，氧含量只要不高于16%，褐煤自燃風(fēng)險是可控的。考慮到特殊情況以及開停車波動，預(yù)干燥出口溫度按100 ℃±3 ℃控制，露點(diǎn)控制70 ℃～76 ℃，對應(yīng)的氧含量在14.4%～12.5%之間。

當(dāng)露點(diǎn)低于65 ℃時，濕氣氧含量理論達(dá)到15.7%，接近16%，此時須打開阻燃氮?dú)?，降低氧含量，確保系統(tǒng)安全。

預(yù)干燥單元需嚴(yán)格進(jìn)行過程控制，嚴(yán)格按照先進(jìn)煤再投蒸汽，先退蒸汽再退煤的順序進(jìn)行調(diào)整。

預(yù)干燥的開車過程相較于停車相對安全，但涉及到的相關(guān)重要步驟亦應(yīng)嚴(yán)格按照操作標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，開車預(yù)熱時，干燥機(jī)列管是空的，大量的空氣從干燥機(jī)吸入，此時干燥機(jī)出口溫度控制在50 ℃±5 ℃，等待進(jìn)料，此種情況，稱為熱備。一旦確定干燥機(jī)要進(jìn)行開車進(jìn)料，逐步提高干燥機(jī)出口溫度，一旦干燥機(jī)出口達(dá)到75 ℃，就必須進(jìn)行進(jìn)料。如果干燥機(jī)出口達(dá)到80 ℃，仍不能進(jìn)料，須立即切斷蒸汽，盡快降低干燥機(jī)出口溫度，視情況確定是否投用蒸汽進(jìn)料還是控制50 ℃±5 ℃進(jìn)行熱備。預(yù)干燥投料后，預(yù)干燥出口溫度將會下降，此時，應(yīng)持續(xù)增加蒸汽加入，引風(fēng)機(jī)K2002仍維持最低頻率運(yùn)行，露點(diǎn)將會持續(xù)升高。

當(dāng)露點(diǎn)溫度達(dá)到70 ℃～76 ℃或者預(yù)干燥機(jī)進(jìn)口有大量蒸汽冒出時，方可增加引風(fēng)機(jī)頻率，引風(fēng)機(jī)頻率的增加，要確保露點(diǎn)在要求范圍內(nèi)或者預(yù)干燥機(jī)入口端有微量蒸汽外溢為最大允許的頻率。

投料后，視預(yù)干燥出口溫度下降情況增加蒸汽加入量，如果干燥機(jī)出口溫度上升較快，應(yīng)增加預(yù)干燥的進(jìn)煤量或者降低蒸汽加入量，逐漸將干燥機(jī)出口溫度控制在100 ℃±3 ℃，干燥機(jī)轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。此時，露點(diǎn)及干燥機(jī)出口溫度都在要求范圍時，可關(guān)閉防爆氮?dú)狻?/p>

4.3 褐煤的儲存

通過殼牌裝置多次的褐煤自燃火災(zāi)教訓(xùn)中了解到，只要是褐煤煤粉暴露在空氣中，且堆積的煤粉存在一定厚度時幾乎必然會發(fā)生自燃。所以在殼牌裝置內(nèi)褐煤的儲存，在各個煤倉、煤粉倉內(nèi)，需始終保持其惰性化。

因計(jì)劃停車、或公用系統(tǒng)異常等原因不能保證惰性化時，應(yīng)提前將煤倉、煤粉倉使用惰性氣體保壓或排空。

因惰性氣體緊急中斷且煤倉、煤粉倉無條件排空時，至少要保證其封閉，確保其無新鮮空氣進(jìn)入、確保其相關(guān)伴熱全部關(guān)閉，待惰性氣體恢復(fù)后應(yīng)第一時間建立惰性化狀態(tài)。

因檢修期間或平時泄漏在設(shè)備外的煤粉必須立即清理，不得存留使其暴露在空氣中。

5 結(jié)論

從目前煤質(zhì)狀況看對于SHELL下行水激冷裝置來講東明礦輸送的褐煤煤質(zhì)變化均在氣化工藝可以應(yīng)用的范圍內(nèi)，但煤質(zhì)的頻繁變化、波動會對工藝操作帶來巨大困難，若調(diào)整不及時甚至方向錯誤會對設(shè)備造成極大損傷，因此，在穩(wěn)定原料煤煤質(zhì)變化、波動的同時應(yīng)加強(qiáng)對煤質(zhì)的分析監(jiān)控，一旦發(fā)生變化應(yīng)做到早發(fā)現(xiàn)早調(diào)整將損失降到最低。

褐煤具有易自燃的特性，因此在褐煤加工、儲存過程中的安全問題應(yīng)時刻保持警惕。在采取合理有效的防護(hù)手段后其安全性亦可得到良好保障。