U－GAS氣化裝置試燒兗礦興隆煙煤情況總結

俎 宇，薛瑩瑩，樊鳳升

（兗礦嶧山化工有限公司，山東鄒城 273500）

1 背 景

U－GAS氣化技術是由美國氣體技術研究所自主研發的，屬于單段循環流化床粉煤氣化工藝，采用灰團聚的方式操作，目前由美國綜合能源系統有限公司（SES）獲得該技術的使用權。2008年2月棗莊投煤量為400t／d的U－GAS氣化示范裝置建成投運，從三年來的運行情況來看，該氣化方式對原料煤的要求相對寬松，可以氣化高灰分、高硫分、高水分和低發熱量的劣質煙煤，只要滿足發熱量大于12MJ／kg就可以使用，裝置可實現長周期穩定運行，無特殊要求裝備，全部設備均為國產化設備。2009年11月通過了山東省科技廳組織的科技成果鑒定。嶧化公司項目相關人員于2010年底開始對該技術進行考察，經過多次論證，認為需要使用兗礦本地煤在示范裝置上進行工業氣化實驗。公司領導決定委托SES公司對兗礦興隆礦混煤在棗莊的U－GAS氣化裝置上進行工業氣化實驗，以檢驗本地煤炭對UGAS氣化裝置的適用性以及實際運行效果。

2 氣化實驗過程

2.1 氣化實驗工藝流程

2.1.1 U－GAS氣化技術簡介

U－GAS氣化裝置的核心設備是鼓泡流化床粉煤氣化爐，氣化裝置主要包括原料煤的破碎、干燥及輸送系統、氣化爐本體、旋風分離系統、余熱鍋爐、布袋除塵器、冷卻、排灰、公用工程等。U－GAS氣化爐的外殼是用鍋爐鋼板焊制的壓力容器，內襯耐火材料。氣化爐底部是一個中心開孔的氣體分布板，氣化劑分兩處進入反應器，一部分由分布板進入，維持床內物料流化；另一部分從爐底文丘里管進入，這部分氣體氧／蒸汽比較大，氣化過程中在文丘里管上方形成溫度較高的灰團聚區，溫度略高于灰的軟化點（ST），灰粒在此區域軟化后團聚長大，到不能被上升氣流托起時灰粒從床層中分離出來。排渣量的多少由中心管的氣流速度來控制。

2.1.2 工藝流程簡述

原料煤首先經過破碎和干燥，按要求被破碎到6mm以下，表面水分含量小于4%。氣化過程需要的氧氣來自空分裝置，氣化劑分兩處進入到氣化爐，在氣化爐中和加入的煤粉發生氣化反應，分為破粘、脫揮發分、熱裂解、氣化、灰團聚、灰渣分離等幾個環節。粗煤氣從氣化爐的頂部引出，進入一二級旋風分離器，除灰后，送往余熱鍋爐系統進行余熱回收并副產氣化過程中需要的水蒸氣。回收余熱后的煤氣經過布袋除塵器、水洗塔進一步除塵降溫后送往凈化系統。一二級旋風分離器捕捉到的飛灰返回到氣化爐，三級旋風分離器捕捉到的飛灰直接排到灰倉，不再返回氣化爐。流程示意見圖1。

圖1 工藝流程圖

2.2 原料煤指標

原煤要求破碎到6mm以下，而且0.15mm以下的煤粉不得超過10%（以質量計），表面水分含量不得超過4%，灰渣特性不大于5。嶧山試燒煤原煤分析數據見表1。

表1 嶧山試燒原煤分析數據表

2.3 氣化實驗過程

2.3.1 試燒前的準備工作以及煤種置換

根據提前制定的試燒計劃，運行部門在8月7日0：00前，清空100＃、200＃煤倉，開始加工煤樣，氣化仍使用緩沖斗的本地原料煤。8月7日7：00，實驗用煤入爐，開始進行系統置換工作，并根據分析結果及時對氣化爐各項參數進行優化調整，置換期間氣化爐按照用戶用氣情況保持穩定運行。

2.3.2 50%負荷試燒試驗

試燒工作從8月9日8：00正式開始，8月9日8：00至8月10日8：00進行50%負荷試燒試驗。進煤量控制在6.0～6.5t／h，氣化爐溫度控制在（1 020±5）℃，氣化爐壓力控制在215～225kPa。此種操作條件下，平均有效氣（CO＋H2）量在7 846m3／h左右，有效氣量隨時間變化曲線見圖2。

圖2 50%負荷凈合成氣流量隨時間變化曲線（8月9日08：00到8月10日08：00）

2.3.3 80%負荷試燒試驗

8月10日7：40對氣化爐各運行參數進行調整，進煤量調整為9.5～10t／h，氣化爐溫度控制在（1 015±5）℃，氣化爐壓力控制在215～225kPa。此種操作條件為氣化爐的80%負荷，由8月10日8：00至8月11日8：00進行，平均有效氣（CO＋H2）量在1 0651m3／h左右，有效氣量隨時間變化曲線見圖3。

圖3 80%負荷凈合成氣流量隨時間變化曲線（8月10日08：00到8月11日08：00）

2.3.4 100%負荷試燒試驗

8月11日7：40對氣化爐運行參數進行調整，進煤量調整為10.5～11.0t／h，氣化爐溫度控制在（1 025±5）℃，氣化爐壓力控制在215～225kPa。此種操作條件為氣化爐的100%負荷，由8月11日8：00至8月12日8：00進行，平均有效氣（CO＋H2）量在12 271m3／h左右，有效氣量隨時間變化曲線見圖4。

圖4 100%負荷凈合成氣流量隨時間變化曲線（8月11日08：00到8月12日08：00）

3 試驗結果及分析

3.1 氣化爐原始數據

3.1.1 凈化后合成氣的組成（表2）

表2 凈合成氣組成

3.1.2 實驗中氣化爐操作參數（表3）

由于實驗所用煤種的發熱量較低，氣化反應活性偏低（1 000℃下二氧化碳活性僅為50%左右），灰熔點在1 350℃左右，所以試燒期間的氣化爐操作溫度將直接影響碳轉換率、冷煤氣效率等經濟指標。根據U－GAS流化床氣化爐的技術特點，流化床密相段的中心區溫度較其他區域的溫度高，所以氣化爐的操作溫度（氣化爐內壁最高溫度）在試驗的第一階段（50%負荷）控制在1 020℃左右。由于示范裝置采用的是返粉系統，試驗在50%負荷階段碳轉化率達到98.5%。為了研究溫度對碳轉化率的影響，試驗在80%負荷階段時，將溫度控制在（1 015±5）℃，此時碳轉換率降至95%以下。基于此確定氣化爐最佳操作溫度應控制在1 020℃以上，試燒試驗才能達到比較滿意的技術經濟指標，于是在100%負荷階段時，又把操作溫度提高到（1 025±5）℃范圍，實驗證明碳轉化率又有所提高。

表3 氣化爐操作參數

3.2 試驗中存在的問題

（1）U－GAS氣化爐要求入爐煤破碎到6mm以下，而且0.15mm以下的煤粉不得超過10%（以質量計），表面水分含量不得超過4%。在試驗過程中，出現了布袋除塵堵塞的情況，分析認為0.15mm以下的煤粉比例過大，在煤破碎時如何有效控制0.15mm以下煤粉的比例是一個需要解決的問題。該氣化爐除塵設計是布袋除塵方式，考慮到布袋對溫度的承受能力較低（不能超過230℃），反吹閥已發生故障，且合成氣溫度較低時易結露堵塞布袋，可以借鑒殼牌粉煤氣化除塵方式，選擇更加可靠的陶瓷過濾除塵方式，合成氣塵含量可以降到5mg／m3以下。

（2）U－GAS氣化爐的排渣系統出現了問題，使氣化爐內灰渣不能連續排放，從而導致氣化爐床層高度不穩定，給氣化爐操作帶來一定的難度。排渣系統是影響氣化爐操作穩定的關鍵因素之一，所以排渣系統的優化是亟需解決的問題。該氣化爐排渣設計為螺旋冷渣機排渣方式，壓力提高后密封問題和停車后重新啟動困難問題需要解決，可以借鑒魯奇爐刮刀固態排渣方式，估計較為理想。

4 結 論

兗礦混煤在U－GAS氣化爐上氣化的整個工藝流程基本滿足要求。煤的干燥和輸送系統正常，輸送系統的輸送量、回轉窯出口的外水含量均能達到設計要求。單臺冷渣機正常排渣亦可滿足滿負荷工況下氣化爐排渣要求。

兗礦混煤在U－GAS氣化爐試燒滿負荷運行時，有效氣（CO＋H2）含量達72%以上，比氧耗為300m3，比煤耗為0.91t（收到基），碳轉化率達到96%以上，冷煤氣效率達到81.54%，裝置無三廢排放，各項技術指標理想，符合預期。

因此通過本次試燒證明兗礦混煤在U－GAS氣化爐上不僅能夠在滿負荷下長期、穩定運行，而且操作靈活簡便，負荷調節能力強，氣體成分等各項技術經濟指標較好。表明該氣化技術煤種適應性廣，對原料煤要求寬松，可以使用高灰熔點、高灰分、高硫、低發熱量的劣質煙煤，只要發熱量大于12MJ／kg、粒度6mm以下均可使用，因此完全適應于改造嶧化固定床氣化爐，真正實現原料煤本地化，徹底解決原料來源的問題，可以實現較好的經濟效益和社會效益。

由于U－GAS氣化技術工業示范裝置的氣化壓力目前只有0.22MPa，與嶧化現有合成氨系統的匹配性較差，能耗偏高。如果氣化壓力提高到1.0MPa，與合成氨系統的匹配更加合理，能耗將大幅度降低，合成氨成本會更低，因此，該技術的市場前景廣闊。