HT-L 粉煤气化炉的运行优化研究

郑永利，乔二浪，马世荣，乔林艳

（1.陕西榆能化学材料有限公司，陕西 榆林 719000；2.国家能源鄂尔多斯煤制油分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209）

1 HT-L 粉煤加压气化原理及特点

1.1 HT-L 粉煤加压气化原理

HT-L 粉煤加压气化技术由航天长征化工有限公司开发，在中国拥有自主知识产权[1]。气化过程主要包括磨煤和干燥、煤粉加压和给煤、气化和合成气净化、炉渣和灰水处理。HT-L 粉煤气化技术的关键设备是航天炉。气化过程为旋流床气化，反应原料煤粉通过高压二氧化碳（或高压氮气）输送至独特的煤粉天然气燃烧器，然后快速注入炉膛，气化炉用气化剂（氧气和少量蒸汽）在高温下气化。反应转化为以CO 和H2为主要成分的粗合成气，经清洗除灰后送入转化模块。气化过程中产生的中压饱和蒸汽，使动能的利用最大化，并将其回收利用。

1.2 HT-L 粉煤加压气化工艺主要技术特点

1）以干燥煤粉为原料，高压二氧化碳（或高压氮气）送入气化炉，碳转化率高（高达99.2%），冷煤气效率可达80%～85%；

2）该工艺对煤的粒度分布、挥发分、黏聚力、含水量、含硫量、含氧量和灰分组成等特性不敏感；

3）气化炉为再热器结构，可在高温下气化煤粉，有效提高转化率；

4）除渣采用水浴方式，同时冷却合成气，合成气中的汽气比较高；

5）一次性投资小，运行维护成本低。

2 工艺流程简述

气化炉由上部再热器辐射源燃烧反应室和下部激冷室组成。在反应室内，氧气/蒸汽和煤粉通过煤粉烧嘴进入气化炉。煤粉与氧气/蒸汽充分混合，在高温下（约1 380 ℃，4.0 MPa）进行气化反应。反应室为盘管式水冷壁热交换结构，并覆盖耐火材料和隔热材料。水冷壁与气化炉外壳之间的间隙腔体内连续通入保护气体（高压二氧化碳/高压氮气），使气化炉壳体温度始终保持在200 ℃左右。通过将冷却循环水引入水夹套保护，冷却循环水在水夹套内连续循环系统流动性，烧嘴冷却循环水温度控制在145 ℃～150 ℃之间。为了保护气化炉压力容器和水冷壁盘管，通过循环泵维持强制水循环系统。冷却循环水总量为600 t/h。管道中的流动水吸收炉中氧化还原反应产生的部分热值，并产生气化蒸汽。盘管锅炉水通过泵强制循环，不仅可以回收煤粉部分氧化还原反应产生的部分热值，还可以将其转化为高压蒸汽（约4.5 MPa饱和蒸汽），可有效降低外壳受压时的温度。气化炉再热器产生的中压饱和蒸汽调压后送至蒸汽管网。炉渣通过激冷环和下降管被冷却水冷却后，沿着下降管被进入激冷室的水浴中。炉渣迅速淬裂，合成气被水饱和。来自气化炉的合成气经过文丘里清洁器、旋风分离罐，进入合成气湿洗塔进行清洗，去除残余灰，然后输送至后工段。激冷后的炉渣为玻璃状颗粒，大部分通过渣锁斗系统排入捞渣机[2]。

3 “以渣抗渣”的原理

在水冷壁面上涂一薄层耐火隔热材料，用电焊焊接销钉。在生产运行过程中，由于耐火材料和金属销钉具有良好的传热效果，靠近边界层的炉渣热值被膜式水冷壁迅速吸收热量，温度降至灰熔点以下，固化黏附；避开边界层的渣层太厚，导热摩擦阻力较大，温度高于灰熔点，且保持流动性。这样，炉渣有效地保护再热器免受腐蚀、高温燃烧和炉渣损坏，并提高使用寿命，称为抗渣性。

4 原料煤组分对气化炉操作的影响

4.1 煤的水分对HT-L 气化工艺的影响

HT-L 粉煤气化工艺的进料要选取质量有保证的干煤粉，并且水含量不能超过2%。从气化炉的角度来说，如果客观上出现特殊情况，煤粉水分含量可能要比2%低一些或者高一些，但是得在合理的范围之内，不然，煤粉就会结块，彼此间产生不同程度的粘连，进而导致输送上的“堵塞”。但当前的实际情况是，水分含量一般都在2%以上，超过的部分要以磨煤干燥等方式去除掉。

4.2 煤的灰分对气化的影响

4.2.1 煤灰含量的影响

煤灰是煤中含有的惰性物质，在它形成和发展的过程中不会对气化反应产生实质性的影响。但是，气化反应期间，高灰含量煤炭会不断累积煤灰，其潜热和显热会随着煤灰数量的降低而减少，热效率也持续降低。与此同时，如果存在数量较大的煤灰，原料的运输成本必然会增加，煤炭消耗量和氧消耗量也会提高，导致灰处理系统需要承担比以往更大的负荷，气化炉也无法有效正常运行。煤灰当中的一些成分含量会抑制煤灰固有的熔化特性，炉渣排放会受到很大的影响，渣阀也将遭到阻塞。HT-L 气化炉一般采用到的结构都是水冷壁。同时，如果气化炉中原有的热负荷出现了上下波动，那么在水冷壁周围的固态渣层就会被熔化掉，渣层就会不断累积，为炉壁形成了一道天然屏障。假如煤炭中的灰分没有达到一定含量，那么固态渣层就难以形成，气化炉的热量就会源源不断的损失，冷气体的效率也会大不如前，不能为炉壁形成一道天然屏障，气化炉也达不到原有的服务年限[3]。其实，HT-L 煤气化工艺对于煤灰的含量没有做具体要求，从运行经验来看，其含量（质量分数）在12%～17%之间为宜，如果这一数值太小，那么蒸汽含量就会变大，水冷壁固体保护渣层得不到有效的形成。如这一数值太大，工况也将得不到保证，炉温会变得更高，气化炉运行寿命将会变得很短。

4.2.2 煤灰熔点和炉渣黏度的影响

煤炭中的灰分在形成和发展的过程中不会对煤气化反应产生实质性的影响，但要能够保证煤炭渣流得到充分供应。为了让气化炉炉渣按照预先设定好流程排出，在气化操作温度环节要保证在灰熔点以上100 ℃～150 ℃之间。如果熔点高于这一数值，那么气化温度要进行动态的调高，气化炉的运行经济会受到很大的影响，对于炉渣的有效排放起不到任何作用。所以，如果煤具有较高的灰熔点，需要在助熔剂的帮助下灵活调整煤灰中的碱比，改变煤固有的熔融特性，让气化炉按照原先计划好的“路线图”进行。在一番对比研究后发现，如果煤具有低灰熔化温度和较低操作温度就会有更加优质的流动性液态渣能。

4.3 灰的的化学元素组成对气化操作的影响

煤灰包含石英、黏稠剂等多个矿物组成。灰中的每个元素含量都是不固定的，这就导致得到的产物具有不尽相同的熔点，气化炉的运行温度、炉渣挂渣的情况也就出现不同程度差异。如果灰中没有SiO2时，其软化温度就变得非常高，但是当其含量直线上升时，其软化温度就变得比较低。出现这一情况的原因是，CaO 等元素会在加热过程中“自动生成”。同时，随着CaO 含量持续增加，软化温度就会越来越高。当Na化合物的熔点比正常低时，非常容易跟灰内的氧化物反应生成低熔点共晶，并且Na+的电位不是很高，会在一定程度上损坏灰中的聚合物，熔融温度也会因此下降，很多时候将其当作助熔剂使用[4]。

4.4 煤炭挥发性物质及其对HT-L煤气化过程的影响

如果空气条件是与外界隔离的状态，同时煤炭样品加热到相应的温度以后，煤炭中加热分解的有机物就会出现一定程度的挥发。这里所说的挥发性物质跟水是不一样的，它不存在于煤炭当中，而是在进行加热以后，煤炭挥发的有机物及其分解产物，它的含量取决于加热条件的优劣。从当前情况来看，物质的挥发性能越好，煤炭化程度就会越浅，煤炭质量也不很很重，反应活性就越好，气化反应就越理想。但是，航天气化需要进行必要的高温气化，所以停留时间不能过长，气体和固体之间的扩散反应对有效控制碳转换的重要抓手。因此，需要质量较高的微粒作为坚实保证，但对挥发性物质和反应活性不能做过高的要求。

5 煤线不稳定性对气化操作运行的影响

煤粉锁斗没有流畅下料，因此在加工过程中，非常容易在设备内部形成架桥，HT-L 气化工艺在应用过程中使用高压二氧化碳加压的方式进行煤粉输送，很容易导致煤粉在输送过程中形成实物，由于在整个流程中，煤粉锁斗工作频繁，导致阀门内漏、充气锥破损等问题，对整个流程都是不利的，因此在煤粉的工作过程中，必须保证整条煤线的稳定性。

6 通过综合指标判断气化工况运行

控制炉温的重要参数包括二氧化碳、蒸汽等，因为在运行过程中工况波动，无法采用仪器实现精确测量，因此必须制定恰当的参数控制灰熔点问题，另一方面减少二氧化碳、蒸汽等重要参数对温度的影响，结合炉渣的形状确定当前炉温。炉渣中含有少量细矿渣粉和针状炉渣时，对排渣基本没有影响[5]。

7 结论

HT-L 煤气化工艺和其他工艺相比，有非常显著的优点，主要表现在该工艺耗氧量较低，另外有着较高的气化效率等，从HT-L 煤气化工艺整体运行效果来看，HT-L 煤气化工艺的设计是完全符合新经济发展理念的，HT-L 煤气化工艺不仅能耗较低，而且有着非常高的产能，另外从设计来看，它的各项指标均是符合标准的，符合可持续发展理念，目前HT-L 煤气化工艺在煤化工企业领域有着非常广泛的应用，但是在环保等方面有些不足，因此HT-L 煤气化工艺使用发展空间和发展潜力极大，本文针对HT-L 煤气化工艺结合理论知识研究HT-L 煤气化工艺的应用情况，总结而言和实际其他公司的实际运行还存在很多差异。