SES氣化技術(shù)氣化義馬長(zhǎng)焰煤的分析與評(píng)價(jià)

王 磊，伏盛世

(河南煤業(yè)化工集團(tuán)煤氣化公司，河南鄭州 450001)

SES氣化技術(shù)來(lái)源于美國(guó)氣化技術(shù)研究院，是在傳統(tǒng)U-GAS氣化技術(shù)基礎(chǔ)上革新改進(jìn)的新型流化床技術(shù)。美國(guó)綜合能源系統(tǒng)投資有限公司(SES)公司與山東海化合資組建埃新斯(棗莊)新氣體有限公司，建設(shè)粉煤流化床氣化工藝示范裝置。該裝置始建于2006年，2008年5月建成試生產(chǎn)，項(xiàng)目用于向山東海化提供合成氣(CO+H2)。2008年10～11月，河南義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司1 000萬(wàn)Nm3/d煤制氣項(xiàng)目籌備處決定在SES氣化裝置上對(duì)義馬躍進(jìn)礦煤進(jìn)行氣化試驗(yàn)，其采集數(shù)據(jù)為煤制氣項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)。

1 義馬長(zhǎng)焰煤特點(diǎn)及煤質(zhì)分析

本次氣化實(shí)驗(yàn)使用的是義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司所屬躍進(jìn)礦煤，該礦煤種屬長(zhǎng)焰煤，中—富灰、中硫—富硫、低磷、中等發(fā)熱量、無(wú)黏結(jié)性、低熔灰分、強(qiáng)結(jié)渣性、灰黏度偏高，煤中稀有元素含量甚微。

1.1 躍進(jìn)礦煤煤質(zhì)分析

工業(yè)分析(空氣干燥基)，詳見(jiàn)表1。

表1 義馬煤工業(yè)分析 %

元素分析詳見(jiàn)表2。

表2 義馬煤元素分析 %

焦渣特性(CRC):1。高位發(fā)熱量:1.75×104kJ/kg，灰熔點(diǎn)詳見(jiàn)表3。

表3 義馬煤的灰熔點(diǎn) ℃

灰成分組成詳見(jiàn)表4。

表4 義馬煤灰成分 %

熱穩(wěn)定性:TS+6，36.5%;TS6-3，54.8%;TS-3，8.7%;黏結(jié)指數(shù):0。坩堝膨脹序數(shù):0;入爐煤粒度分析詳見(jiàn)表5。

表5 入爐煤粒度分析

2 躍進(jìn)煤氣化試驗(yàn)全過(guò)程

按預(yù)定計(jì)劃，試驗(yàn)分兩個(gè)階段進(jìn)行，即在50%負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行72 h試驗(yàn)階段;在100%負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行72 h高負(fù)荷試驗(yàn)階段。試驗(yàn)從2008年10月30日10:00至2008年11月7日12:00結(jié)束，前后歷時(shí)9 d，共計(jì)194 h。

2.1 50%低負(fù)荷試驗(yàn)階段

2008年10月30日10:00時(shí)，從備煤系統(tǒng)開(kāi)始由棗莊煤切換成躍進(jìn)煤，至10月31日14:00時(shí)確認(rèn)有部分躍進(jìn)煤進(jìn)入氣化爐，將氣化爐操作溫度由原棗莊煤的1 020℃調(diào)整為965℃，至11月1日12:00時(shí)確認(rèn)氣化爐內(nèi)已全部是躍進(jìn)煤，根據(jù)氣化爐工況將爐壓調(diào)整為190～200 kPa;溫度控制在965～970℃，進(jìn)煤量5.7 t/h，床層高3～3.5 m，入爐蒸汽量5.6 t/h，入爐氧氣量2 200 Nm3/h，產(chǎn)凈煤氣量7 600 Nm3/h。在11月2日8:00時(shí)調(diào)整氣化爐操作溫度為975℃。

至11月2日14:00時(shí)，較為順利地完成了第一階段煤的置換、工況調(diào)整、50%負(fù)荷試驗(yàn)任務(wù)。在此較低負(fù)荷下運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)床層不易建立，冷渣機(jī)需間斷運(yùn)行，洗滌塔排水帶粉塵量較大，水色發(fā)黑。

2.2 100%滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行階段

該階段從2008年11月3日8:00時(shí)開(kāi)始至11月7日8:00時(shí)結(jié)束，氣化爐負(fù)荷基本維持在產(chǎn)凈煤氣12 000～14 000 Nm3/h，加煤量15～16.5 t/h，入爐蒸汽量為6.7 t/h，入爐氧氣量為3 400 Nm3/h，氣化爐高點(diǎn)溫度為975℃，爐壓在190～230 kPa之間，床層壓差在28～32 kPa，出氣化爐煤氣溫度在920℃左右，出廢鍋溫度在280℃左右，排灰溫度在570℃左右，冷渣機(jī)連續(xù)正常運(yùn)行。在此階段氣化爐本身運(yùn)行正常，但在11月3日1:30至6:20，由于山東海化用氣量減少，本氣化裝置在未減負(fù)荷的情況下，將部分粗煤氣作放空處理。在11月5日10:10時(shí)因入爐氣化劑溫度TE4261超過(guò)300℃，導(dǎo)致氣化爐聯(lián)鎖停車1次，在11月6日21:10至7日5:20時(shí)因入爐原料煤細(xì)粉太多，煤鎖斗音叉料位計(jì)出現(xiàn)誤指示，導(dǎo)致幾個(gè)加煤系統(tǒng)空轉(zhuǎn)，造成氣化爐減負(fù)荷的情況發(fā)生。另外，由于躍進(jìn)煤的特性，發(fā)現(xiàn)爐出口帶出物量非常大，幾乎與爐底排渣量一樣多，也由于二旋底部料腿未能疏通，大量的煤粉被帶往布袋除塵器，導(dǎo)致布袋前后壓差高達(dá)4～6 kPa(正常2～3 kPa)，布袋幾乎在不斷交替吹掃。還發(fā)現(xiàn)廢鍋出口溫度超過(guò)實(shí)際值，不得不采取向煤氣中噴水的臨時(shí)措施，以降低廢鍋出口煤氣溫度。

3 義馬長(zhǎng)焰煤試燒結(jié)果

躍進(jìn)礦煤氣化試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如表6～10所示。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程我們做了詳細(xì)的運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄，并對(duì)粗煤氣、凈煤氣及副產(chǎn)物的產(chǎn)率、氣化效果進(jìn)行了分析計(jì)算。

表6 操作指標(biāo)

表7 試燒各項(xiàng)單耗

表8 產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)率及氣化效果

表9 躍進(jìn)礦煤粗煤氣組成

表10 躍進(jìn)煤凈煤氣組成

4 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)

4.1 加煤裝置

SES的氣化爐設(shè)有煤鎖和煤鎖斗，但因設(shè)計(jì)體積太小，僅有0.63 m3和0.67 m3，氣化爐氧負(fù)荷為3 500 Nm3/h時(shí)加煤頻率為7次。其上下閥采用蝶閥，蝶閥密封性較差，在低壓狀態(tài)下可以使用，但當(dāng)壓力提高后，蝶閥的可靠性有待商榷。加煤螺旋的密封性試驗(yàn)期間正常，但當(dāng)壓力提高后，密封形式應(yīng)重新考慮。工程設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮適當(dāng)加大煤鎖容積，上下閥形式以及加煤螺旋密封應(yīng)重點(diǎn)考慮解決。

4.2 氣化爐工況

本試驗(yàn)單爐最大氧負(fù)荷短時(shí)達(dá)3 800 Nm3/h，正常氧負(fù)荷為單爐3 500～3 700 Nm3/h，產(chǎn)凈煤氣為14 000 Nm3/h。氣化爐工況正常，床層較為穩(wěn)定，壓差在25～32 kPa之間變化，氣化爐操作溫度穩(wěn)定，波動(dòng)范圍小，僅有±5℃的波動(dòng)，氣化爐工況的調(diào)整較簡(jiǎn)單。但沒(méi)有表現(xiàn)出理論上爐溫應(yīng)該均勻的現(xiàn)象，由于試燒期間躍進(jìn)煤活性好，小粒度的煤所占的比例較大，在低負(fù)荷時(shí)(50%)，由于帶出損失大，床層不易建立，導(dǎo)致冷渣機(jī)需間斷運(yùn)行。

4.3 氣化爐排灰

本次試驗(yàn)的躍進(jìn)煤灰分平均為34%(空氣干燥基)，使用其中一個(gè)螺旋(8 t/h)就能滿足排灰需要(另一個(gè)6 t/h)，和煤鎖加煤螺旋一樣，設(shè)有冷渣機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到均勻排灰和調(diào)整工況的目的，但冷渣機(jī)要承受接近高達(dá)600℃的熱灰，又是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，雖然有水冷卻裝置，其可靠性相對(duì)較差。當(dāng)壓力提高后，其密封形式、灰鎖斗上下閥結(jié)構(gòu)形式和充卸壓方式也有待進(jìn)一步商討。

4.4 煤氣組成

此次試驗(yàn)所用躍進(jìn)煤中硫含量較高，平均值為1.36%，粗煤氣組成中H2S含量高達(dá)6 816 mg/m3，凈煤氣中H2S含量小于6.6 mg/m3，COS僅有10×10-6，其它形態(tài)硫未檢出，當(dāng)采用低溫甲醇洗工藝凈化時(shí)，可完全滿足脫硫的需要，粗煤氣中CO2含量為25.8%，較魯奇工藝降低4%，H2含量為35.7%，較魯奇工藝低5%左右，CH4含量為3.0%，較魯奇工藝的10%左右降低了7%，CO含量為30.2%比魯奇工藝的16%高14%，粗煤氣中CnHm平均含量為0.38%，基本與魯奇工藝相當(dāng)。

4.5 廢水組成

由于氣化爐操作溫度高且較為均勻，煤氣中基本不含大分子物質(zhì)，因而進(jìn)入水中的大分子物質(zhì)極少，廢水中除含有較高的煤粉(243 g/L)和NH3-N(934.8 mg/L)外，酚(0.03 mg/L)、油(1.42 mg/L)等難處理的大分子物質(zhì)含量極少，COD平均為56.6 mg/L(加約1倍水稀釋后)，經(jīng)簡(jiǎn)單處理，可直接達(dá)標(biāo)外排，廢水處理流程大為簡(jiǎn)化。

4.6 灰渣、煤灰粉

灰渣外觀呈黑色，形似含碳量很高，實(shí)際分析殘?zhí)己艿停骄鶅H有2.06%，但煤灰粉殘?zhí)剂枯^高，達(dá)34.69%，煤灰粉是殘?zhí)紦p失的主要原因，也是冷煤氣效率低的重要原因(48.81%)。由于裝車未采用密閉裝車系統(tǒng)，造成棗莊現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境污染嚴(yán)重。

5 結(jié)論

利用躍進(jìn)礦煤在埃新斯(棗莊)新氣體有限公司直徑2.6 m改進(jìn)后的U-gas氣化爐上，在0.22 MPa下進(jìn)行完全工業(yè)化試驗(yàn)，所有數(shù)據(jù)采集階段運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性較好，試驗(yàn)證明，高灰分的躍進(jìn)煤用于流化床干排渣加壓氣化爐的原料是可行的，解決好入爐煤的粒度分布是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。這套中試裝置氣化爐本身運(yùn)行較為穩(wěn)定，其配套設(shè)備需改進(jìn)，壓力提高后，配套設(shè)備的選型(煤鎖、灰鎖、加煤螺旋、冷渣機(jī))等在工程設(shè)計(jì)中要解決。采用流化床氣化工藝后，廢水中大分子物質(zhì)含量極低，廢水處理流程大為簡(jiǎn)化。廢熱鍋爐自產(chǎn)蒸汽可滿足氣化劑需要，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)將廢熱回收量與后工序變換水碳比要求綜合考慮。