气化炉长周期稳定运行探索分析

赵波涛，贾慧杰

（华阳集团（山西）碳基合成新材料有限责任公司，山西 太原 030000）

0 引言

随着我国煤炭洁净高效气化技术的发展，传统固定床气化炉常压造气技术革新至高压、高气化效率的加压粉煤气化与水煤浆气化。近些年来，新型煤气化技术的应用范围日益剧增，遍布基础化工、新型高分子材料等领域。气化炉位居现代煤化工的核心和龙头地位，其能否长周期稳定运行直接关乎企业在业内的竞争优势大小。

本文通过长期调研水煤浆气化炉及粉煤气化炉实际运行情况，从气化煤种选择及水系统问题出发，给出气化炉长周期稳定运行建议。

1 煤种对气化长周期稳定运行的影响

气化煤种的选择与优化直接影响企业气化装置长周期稳定运行。不同的气化工艺对所选煤种有某些特殊的要求。该部分从气化煤的气化过程及气化煤的基本性质进行介绍分析，总结出各气化装置所需适宜煤种指标，为单一煤种选择或复配提出指导建议。

1.1 气化煤的基本性质对气化影响

1.1.1 水分含量对气化影响[1]

煤中外在水主要存在于煤的外表面，是煤在开采、运输、储存及洗选过程中形成的；内在水是由于水被吸附在煤内孔道中；结晶水在煤中以Al2O3·2SiO2·2H2O（高岭石）、CaSO4·2H2O（硫酸钙）等形式存在，析出温度在200 ℃以上。

针对水煤浆气化的原料煤，内在水含量过高，煤的成浆质量浓度低。由于内水含量高的煤，煤的孔隙率大、比表面积大、密度低，同样质量的水中，煤的质量低，制备水煤浆浓度低；煤的表面亲水基团多，易于水形成水膜，分散剂亲水基团朝水膜中，另外一段亲油基团引入水系中，降低分散剂的分散效果，导致分散剂添加量增大。

针对粉煤气化的原煤，由于采用密相输送方式，要求入炉粉煤全水质量分数控制在＜2%，防止粉煤在储存输送过程中产生堵煤、架桥现象，降低粉煤储罐、粉煤锁斗及粉煤给料罐锥部流化气体使用量，从而降低密相输送密度。

总之，针对两种气化技术的原煤选择，外水尽量低，减少因外水含量高而增加的运输成本，减少粉煤烘干消耗的能量；在水煤浆制备中，选择内水含量较低的煤能有效提高水煤浆浓度，在水煤浆气化要求浓度范围内，考虑将制浆浓度差的褐煤与较高浓度的贫煤复配使用，降低制浆成本；粉煤气化对原煤全水含量要求越低越好。

1.1.2 挥发分含量对气化影响

挥发分主要是指煤在干馏或热解时逸出的热解产物，包括煤气、焦油、油类和热解水。挥发分与煤的反应性有相关性，其含量越高，煤的反应活性越好，有利于煤的气化。

煤的挥发分作为煤利用价值和煤分类的重要指标，煤的挥发分含量与其变质程度有关，随着变质程度的提高，煤中挥发分含量减少。干燥无灰基挥发分产率：泥煤为70%，褐煤41%～67%，烟煤10%～50%、无烟煤＜10%。

针对水煤浆气化技术与粉煤气化技术，气化炉火焰中心温度高，煤中挥发分有机质裂解成氢、碳，对煤的反应性要求较低，因此对原料煤中挥发分的含量基本没有严格要求和限制。

1.1.3 粒度对气化影响

煤的粒度越小，其比表面积越大，越有利于煤与气化剂之间的反应。但粒度过小，则导致煤未与气化剂充分反应，被高速喷射气流带出燃烧区，降低煤的气化效率，合成气中细灰量增加，加重灰水处理系统，加大灰水及黑水管线结垢倾向。粒度过高，不利于煤与气化剂的反应，同样降低气化效率，粗渣残碳量高。

针对水煤浆气化技术，对煤的粒度要求控制在≤425 μm 占90%，水煤浆质量分数控制在58%～64%；粉煤气化技术，粉煤粒度要求控制在5～90 μm占90%。

哈氏可磨指数反应了所选煤种的可研磨性，指数越高，所选煤种越易研磨、破碎，磨煤能耗越低，磨煤装置选择范围宽。反之能耗增加，研磨粒度控制差。针对两种气化方式，所选择煤种的哈氏可磨指数控制在60 以上。

1.1.4 灰分对气化影响

煤在800 ℃条件下完全燃烧后剩余物质即为灰渣，其组成较为复杂，主要元素有Ca、Mg、K、Na、Si、P、S、Fe、Al、I 等，此外还有包括一些微量元素。在分析煤中灰分含量时常以元素的氧化物形式表示，如SiO2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3等，实际上还有其硅酸盐、硅铝酸盐和硫酸盐等形式的化合物存在。煤种主要元素的氧化物根据“离子势”将其分为酸性氧化物和碱性氧化物。

1.1.5 酸性氧化物

煤灰中SiO2和Al2O3占总灰分量较大，其含量越高，煤灰熔点越高，但两种物质随着各自含量不同表观现象有差异，引入硅铝比对灰熔点的影响。当硅铝比（物质的量的比）接近1 时，多数形成硅铝复合物质，比如红柱石（Al2O3·SiO2）、莫来石（3Al2O3·2SiO2）等灰熔点高的物质；当硅铝比≥1 时，形成的规律复合物与碱金属或碱土金属生成低灰熔点共熔体，比如CaAl2Si2O8等，但形成低灰熔点共熔体量是由煤灰中碱金属及碱土金属量决定，剩余为结合的硅氧化物及硅酸盐物质。

1.1.6 碱性氧化物

针对水煤浆气化技术与粉煤气化技术均采用“以渣抗渣”的方式，其对煤中灰分含量要求在8%～15%范围。如果灰分含量低于8%，无法维持燃烧室壁面熔渣层的动态平衡，易造成运行过程中渣层变薄、水冷壁烧穿等问题。灰分含量过高，如果大于气化炉设计的最大允许排渣量，容易造成渣口压差大，甚至出现堵渣口的现象。目前经过国内多台设备运行经验得出，选择煤种的灰分质量分数最佳范围为8%～15%，8%为可维持熔渣层的最小灰分质量分数。

1.1.7 硫对气化的影响

煤中硫以有机硫和无机硫的形式存在，我国各地煤中硫质量分数大多数在1%以下。煤在气化过程中，大量的硫以H2S、CS2形式进入煤气中。因此煤中硫含量越高，后续工段脱硫的负担会加重，所以煤种硫含量越低越好。在对气化煤单烧或者复配使用时，应根据后续低温甲醇洗工段的最大脱硫量来决定气化煤中硫的含量，这样在保证硫的最大允许处理效果同时减少因刻意采购低硫煤而增加采购成本。

1.1.8 灰熔点、黏温特性及气化炉操作温度对气化的影响

工业应用中，通常将软化温度作为灰熔点，其高低由多种因素影响，最主要的影响因素在于煤中的灰分含量及种类，灰熔点过高，煤的气化效率降低；黏温特性是指熔渣的黏度与温度的曲线，其曲线反应出所选煤种熔融黏度对温度的敏感性，敏感性越强，说明所选煤种的黏度变化较大，在气化炉操作时，操作温度较小变化时，炉内刮渣的黏度变化较大，刮渣层厚度不稳定，容易造成因刮渣层变薄而引起冷却水盘管烧漏现象，严重影响气化炉的长周期稳定运行。因此在选择煤种时应对其黏温特性曲线中的温差范围尽量宽泛，可提高气化炉的操作稳定性；气化炉的操作温度是根据所选煤种的灰熔点来确定，也是根据渣口处熔渣的黏度确定，因燃烧室内由上到下出现温度差，渣口处温度最低，一般温差范围在20～30 ℃，气化炉的操作温度应考虑渣口的最佳排渣黏度在15 Pa·s，防止出现堵渣现象。操作温度也不宜过高，过高会减薄灰渣层厚度。同时气化炉的操作温度也影响合成气组分，过高时合成气中CO2浓度升高，有效气成分发生变化；过低CH4含量升高，加重后工段脱甲烷装置的负荷以及增加深冷装置因甲烷堵塞设备的风险，且煤燃烧不充分，灰渣中残碳量增加，降低煤的气化效率。

针对水煤浆气化技术与粉煤气化技术，一般选择煤种的灰熔点控制在1 200～1 500 ℃范围；当熔渣的黏度在2.5～25 Pa·s 范围内，其温差区间应大于100 ℃；气化炉的操作温度应高于灰熔点100～150 ℃范围，确保高的有效气产率、低的甲烷含量及最佳的排渣黏度。

1.1.9 粗渣、细渣分配比例及残碳量的影响因素

对于不同的气化煤入炉方式及气化方式，粗渣与细渣的分配比例不同。水煤浆气化技术中粗渣与细渣比（质量比）为4∶1，粉煤气化技术中粗渣与细渣比（质量比）为3∶7，细渣含量较多，一般设计粗渣残碳量质量分数≤8%，细渣的残碳量质量分数≤35%。

粗渣与细渣中的残碳主要来源于气化煤的不完全燃烧形成，其分配比例与残碳量是由多种因素影响。比如：煤中挥发分含量（挥发分含量高的煤，煤的反应活性高，易气化）、气化煤的粒度（粒度越小，气化煤反应的比表面积大，与氧气的反应速率加快）、气化炉操作温度（气化炉温度高，即气化氧气量增大，气化煤的燃烧更充分，残碳量低，但比氧耗增大，合成气中CO2含量增加，经济效益降低）、燃烧室设计的停留时间（燃烧停留时间越短，与氧气反应的时间减少，未反应的碳增加，残碳量增大）、煤中灰分含量及种类。

1.2 煤种因素影响总结[2]

从煤的全水、挥发分、硫含量、灰分种类及含量以及煤灰的灰熔点、黏温特性、气化炉操作温度作分析，提出确保气化炉长周期稳定运行的指标，现总结如下：

1）所选煤种的外水越低越好；在制备水煤浆时，内水含量越低越有利于生产高浓度的水煤浆；在确保一定浓度范围时，将成浆性差的褐煤与较高的贫煤复配使用，降低制浆成本；粉煤气化对原煤全水含量要求越低越好，降低粉煤烘干能耗。

2）水煤浆与粉煤气化技术的气化温度高，挥发分含量不做特殊要求限制。

3）水煤浆气化粒度要求控制在≤425 μm占90%，水煤浆浓度控制在58%～64%；粉煤气化技术粒度要求控制在5～90 μm 占90%；哈氏可磨指数控制在60 以上。

4）所选煤种的灰分质量分数最佳范围为8%～15%，8%为可维持熔渣层的最小灰分含量质量分数。

5）煤中硫含量越低越好，也要根据后续低温甲醇洗工段的最大脱硫量来决定气化煤中硫的含量，减少低硫煤的使用成本。

6）选择煤种的灰熔点控制在1 200～1 500 ℃范围；黏温特性中在2.5～25 Pa·s 范围内，其温差区间应＞100 ℃，如果测试条件有限，可根据FT 与ST 温差≥50 ℃来参考；气化炉的操作温度应高于灰熔点100～150 ℃范围。

7）在生产过程中，应确保提供煤质稳定，混煤使用时应确保复配煤混合均匀，达到精配煤的要求；更换煤种时，应对其灰熔点、黏温特性、全水、灰分种类等进行测定，提前告知车间，为调整工艺指标做出准备；在更换煤种时，应缓慢复配，直至全部更换。

2 水系统对气化长周期稳定运行的影响

现阶段，环保形势日益严峻，对厂区外排水的要求由达标排放逐步转变成零排放，因此针对气化装置水系统的严格控制，有效降低了全厂污水处理的压力。气化装置的水系统主要问题在电导率、固体悬浮物含量、氨氮等含量高导致气化装置循环灰水外排污水量增大，水管线及设备结垢严重，影响整体装置的长周期稳定运行。

2.1 水系统的主要问题[3]

两种气化技术均采用激冷方式对熔渣及高温合成气进行降温，煤燃烧形成的熔渣与煤高温环境下部分碱金属、碱土金属的升华溶解在灰水中形成溶解盐，气灰被水洗下，形成悬浮物颗粒。灰水中总硬度及悬浮物浓度高时容易造成气化水管道、设备结垢及污水处理难度加大，造成气化装置降负荷运行或被迫停车，影响装置长周期稳定运行。

2.2 灰水系统水质特点

煤中灰分在气化炉高温燃烧后，随着激冷洗涤后进入黑水系统中，使黑水中硬度及悬浮物浓度远超设计值；激冷灰水的温度高达240 ℃左右，且灰水压力基本上与气化炉压力相当，达到3.65 MPa 左右。

2.3 主要设备的垢样分析

气化装置中结垢的部位有气化炉至高闪管线、洗涤塔至高闪管线、气化炉激冷环、文丘里洗涤器、洗涤塔塔盘及高压、低压闪蒸罐。垢样的主要成分有MgO、Al2O3、SiO2、SO3，CaO、Fe2O3，其含量较多的成分有Al2O3、SiO2、CaO、Fe2O3，其主要由灰水中细渣、SiO2絮凝体与钙镁垢的沉淀形成[3]。

2.4 水系统因素影响总结[4]

水系统结垢原因与多种因素有关，目前国内尚未作出明确的说法，企业对水系统的重视程度不够，水的分析指标不全且结垢问题属于长期积累而成，短期无法看出。围绕气化装置水系统长周期稳定运行角度，现总结如下注意事项：

1）更换煤种时要测定全水、灰分种类、挥发分、黏温特性、硫、灰熔点、哈氏可磨指数等指标，提前对水系统的工艺调整做准备。例如灰水种类中CaO 含量高时，及时在再沉降槽中增加碳酸盐类物质，用于调整水中钙硬度。

2）严格监控水煤浆及粉煤的粒度分布，对粒度偏差时及时作出工艺调整。

3）加强灰水循环系统及来水水源的水质及垢样分析（灰水pH 值、钙硬、镁硬、总硬度、电导率等），做出水系统悬浮物、溶解盐量的物料平衡图，为调整气化工艺参数做依据。

4）对灰水分散剂及黑水絮凝剂进行定期监控、试验，找出不同煤种与分散剂、絮凝剂的效果规律，排除因分散剂与絮凝剂与煤种不匹配使得灰水中悬浮物含量增加，加大外排水量，加重污水处理系统压力。

气化装置的长周期稳定运行需要厂区及车间人员的精细化管理，细化分析数据，以整个系统为范围，做出煤、水等原料进出物料平衡图，对偏差数据及时做出工艺调整，实现气化装置长周期稳定运行。

3 结语

气化装置作为现代煤化工的龙头装置，其“安稳长满优”直接关系到企业的经营效益和市场竞争力。近年来，全国范围内就气化装置长周期稳定运行研究取得很大进展，尤其在配煤领域，使用水煤浆分级利用来提高水煤浆浓度，配比高灰熔点无烟煤气化，采用平推流气化方式直接气化高灰熔点无烟煤（R-GAS技术）。本文从气化煤的各项工艺指标入手，总结出现阶段“以渣抗渣”气化形式下的黏温特性曲线以及灰熔点要求，同时从气化水系统下防止结垢角度找出日常管控措施和方法，针对性找出气化炉精细化管理的出发点和落脚点。