碎煤加壓氣化的工藝運(yùn)行與技術(shù)改造

杜阮（內(nèi)蒙古大唐國(guó)際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025350）

1 前言

我國(guó)是一個(gè)煤炭資源相對(duì)豐富的國(guó)家，根據(jù)“十二五”期間能源產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，煤炭能源消耗占全社會(huì)能源消耗的70%，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。

相對(duì)而言，我國(guó)的石油和天然氣資源明顯不足，長(zhǎng)期單一的煤炭資源應(yīng)用模式，無(wú)法滿足社會(huì)日益強(qiáng)烈的能源多樣性需求，必須尋求新的途徑。而所謂“能源多樣性需求”是指在社會(huì)發(fā)展過程中，不同能源類型的總體需求量上升，由此所引發(fā)的一系列能源供求失衡問題。如隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，石油燃料的需求日益旺盛，而隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，天然氣資源的需求不斷提高。

“煤氣化”是煤化工業(yè)的重要組成部分，指的是煤炭在高溫環(huán)境下與氣化劑（空氣、水蒸氣等）反應(yīng)生成煤氣的過程；從煤炭到煤氣的轉(zhuǎn)變，就完成了能源形式變化的目的。而“碎煤加壓氣化工藝”顧名思義，是指原煤經(jīng)過粉碎之后（最大粒度50毫米）通過一系列的高壓、高溫、化合反應(yīng)，生成所需要的煤化氣資源。

以魯奇爐為例，從工藝流程角度來(lái)說，碎煤加壓氣化首先要進(jìn)行煤粒篩選程序，符合碎煤標(biāo)準(zhǔn)的物料通過魯奇爐頂部的閘斗倉(cāng)進(jìn)入加壓氣化爐；這一過程中需要加入氣化劑、催化劑和結(jié)渣劑等，碎煤在氣流的作用下在氣化爐中不斷運(yùn)動(dòng)，最終被干燥并脫除揮發(fā)分、進(jìn)一步氣化。

魯奇爐是典型的固定床加壓氣化爐，從上世紀(jì)80年代引入我國(guó)之后，在碎煤加壓氣化工藝的應(yīng)用方面取得了較大的成就。根據(jù)國(guó)內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)需要，經(jīng)過改進(jìn)的魯奇爐裝置更加穩(wěn)定、高效。以下碎煤加壓氣化工藝的分析均以魯奇爐作為參考。

2 碎煤加壓氣化工藝運(yùn)行問題分析

碎煤加壓氣化工藝在我國(guó)經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展，雖然技術(shù)層面已經(jīng)相對(duì)成熟，但依然存在一些無(wú)法徹底根除的問題。這些問題有的是工藝設(shè)計(jì)固有缺陷造成的，也有設(shè)備和原料原因造成的，針對(duì)這些問題進(jìn)行分析，結(jié)合魯奇爐的特點(diǎn)尋求工藝技術(shù)改造策略。

2.1 氣化爐爐壁腐蝕

在碎煤加壓氣化工藝的運(yùn)行過程中，氣化爐爐壁腐蝕是常見的問題，這主要和我國(guó)的煤炭品質(zhì)與工藝操作手段有較大的關(guān)系。導(dǎo)致腐蝕的主要物質(zhì)是堿性金屬和鹵素，如：鋰、鈉、鉀、銣、是氟、氯、溴、碘，等等。煤炭本身所蘊(yùn)含的大量雜質(zhì)，在水分子的作用下容易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，加上碎煤顆粒的磨蝕和各種腐蝕性細(xì)菌作用。

2.2 氣化灰層建立難度大

氣化灰層的作用是保護(hù)爐箅，控制爐箅上方灰層高度為150mm左右，但由于氣化原料煤灰分低、刮刀數(shù)量多等原因，氣化灰層建立十分困難。

2.3 粗煤氣帶出物過多

由于氣化原料煤的機(jī)械強(qiáng)度較低、熱穩(wěn)定性差、入爐過程中攜帶煤粉過多等原因，粗煤氣帶出物過多會(huì)堵塞后系統(tǒng)，所以氣化原料煤應(yīng)該盡量選擇一些機(jī)械強(qiáng)度高的、熱穩(wěn)定性強(qiáng)的，同時(shí)加強(qiáng)碎煤篩選過程，降低爐內(nèi)氣體的流動(dòng)速度，由此可以減少帶出物。

2.4 粗煤氣中有效成分少

粗煤氣中一氧化碳含量過低，氣化爐內(nèi)汽氧含量過高，甚至整個(gè)反應(yīng)低于設(shè)計(jì)下限的數(shù)值，由此造成原材料浪費(fèi)、煤制氣質(zhì)量低下等問題。

3 碎煤加壓氣化工藝技術(shù)改造策略

3.1 煤鎖改造

魯奇氣化爐上部的煤鎖功能是將煤倉(cāng)內(nèi)的物料間歇式加入氣化爐，是一種典型的壓力容器，正常情況下的壓力承受上限是4MPa。煤鎖上部與煤倉(cāng)相聯(lián)，下部與氣化爐法蘭相聯(lián)，類似于碎煤緩沖裝置；煤鎖下部設(shè)置有下閥口，也是氣化爐裝置的重要組成部分；煤鎖改造包括三個(gè)部分，分別是煤鎖檢修方式改造、煤鎖下閥傳動(dòng)軸改造和灰鎖錐閥改造。

第一，煤鎖檢修方式改造。傳統(tǒng)的檢修方式依賴起重機(jī)將煤鎖轉(zhuǎn)移到地面，檢修不僅消耗大量的人工和時(shí)間，同時(shí)也容易造成安全事故。經(jīng)過改造的煤鎖檢修方式是，在設(shè)備兩側(cè)的支耳處應(yīng)用千斤頂，懸空煤鎖設(shè)備之后利用支撐梁作為滑道；檢查的過程中將滑道上移動(dòng)煤鎖，即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢修作業(yè)，減少人力物力和時(shí)間成本的消耗。

第二，煤鎖下閥傳動(dòng)軸改造。下閥傳動(dòng)軸是煤鎖下閥的重要組成部分，依靠液壓驅(qū)動(dòng)裝置作為動(dòng)力來(lái)源，在外擺桿、傳動(dòng)軸、內(nèi)擺桿、閥桿等作用下，實(shí)現(xiàn)下閥的開關(guān)功能。由于聯(lián)動(dòng)裝置的反復(fù)使用容易造成傳動(dòng)軸與墊環(huán)的磨損，進(jìn)而發(fā)生填料泄露等事故，影響氣化爐的穩(wěn)定；改造措施是優(yōu)化傳動(dòng)軸外端，通過添加止推軸承，方便定位和調(diào)整橫向、縱向開槽的移動(dòng)，有效減少位移。

第三，灰鎖錐閥。灰鎖錐閥的材質(zhì)需要耐熱鋼或合金，改造方向是減小碳化鎢晶體，提高碳化鎢圈中鈷元素的含量，有效降低了硬度，提高了韌性。同時(shí)，需要確保導(dǎo)向筒的對(duì)中性。

3.2 點(diǎn)火方式改造

碎煤加壓氣化爐是一個(gè)高溫、高壓環(huán)境，煤炭顆粒在其中發(fā)生一系列的物理和化學(xué)變化，從化學(xué)原理上分析，主要是碳、氧、水蒸氣等之間的反應(yīng)；煤炭的燃燒即碳元素的燃燒，但這種燃燒是揮發(fā)性的；煤炭中的有機(jī)物成分是碳?xì)浠衔铮诟邏籂顟B(tài)下，濃度達(dá)到一定極限（存在一定溫度），氧化作用會(huì)自動(dòng)發(fā)生。但是，氣化爐內(nèi)的煤制氣產(chǎn)生必須以燃燒形式進(jìn)行，前提條件是進(jìn)行點(diǎn)火引發(fā)。

傳統(tǒng)的點(diǎn)火方式是利用富氧空氣引發(fā)，一次點(diǎn)火時(shí)間長(zhǎng)達(dá)十幾個(gè)小時(shí)，不僅浪費(fèi)資源影響生產(chǎn)，也容易發(fā)生安全事故；故此，點(diǎn)火方式的改造升級(jí)是十分有意義的。

改造優(yōu)化的點(diǎn)火方式主要以氧氣為氣化劑，其步驟包括氣化爐預(yù)熱、氧氣點(diǎn)火、氣化爐升壓升溫、并網(wǎng)操作等內(nèi)容。氧氣點(diǎn)火環(huán)節(jié)中，要向氣化爐中實(shí)現(xiàn)輸入水蒸氣和純氧。

3.3 操作控制方式改造

首先，在操作方面，以魯奇爐為基礎(chǔ)的研究中，碎煤加壓氣化工藝中煤炭添加、排灰等過程都是間歇性的操作，需要通過煤鎖閥門來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況，不可能專門派人值守這一崗位，而每次定期攀登進(jìn)行泄壓十分繁瑣，操作中容易發(fā)生更危險(xiǎn)；通過自動(dòng)化裝置技術(shù)，配合監(jiān)事系統(tǒng)，將以往的手動(dòng)泄壓方式改為遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方式。在中心控制室中可以完成加煤、排灰等工作；此外，針對(duì)碎煤加壓氣化爐的手動(dòng)注油方式，也可以借鑒遠(yuǎn)程泄壓方式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。

其次，在控制方面，碎煤加壓氣化爐內(nèi)的負(fù)荷控制一般由進(jìn)入爐內(nèi)參與反應(yīng)的物料來(lái)決定，參考因素是氣化量的比例；改變氣化量的比例，也就改變了氣化爐的符合，實(shí)現(xiàn)整體的控制效果。但是這種方式只有在供氣穩(wěn)定的狀態(tài)下才能夠?qū)崿F(xiàn)，且比例調(diào)節(jié)單一，缺乏對(duì)實(shí)際工礦的考慮；改造的方式是采用串聯(lián)式比例調(diào)節(jié)，將出口溫度、灰鎖溫度、氣化爐壓力（實(shí)時(shí)）等歸納到一個(gè)框架中來(lái)，借助儀表設(shè)定的方式，制定一個(gè)合理的控制數(shù)值域。

4 結(jié)語(yǔ)

從我國(guó)能源利用形勢(shì)出發(fā)，煤化工產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展前景，相對(duì)應(yīng)地在煤制氣應(yīng)用方面，碎煤加壓氣化工藝的不斷改造、優(yōu)化和升級(jí)，將有助于提高煤化工產(chǎn)品的品質(zhì)，以及滿足能源多樣性的需求。文中作者從煤鎖裝置、點(diǎn)火方式、生產(chǎn)能力等方面提出了改造建議，還有其他方面的問題存在，亟待尋求更優(yōu)秀的技術(shù)要點(diǎn)指導(dǎo)；總體而言，以魯奇爐為基礎(chǔ)的碎煤加壓氣化工藝技術(shù)改進(jìn)，對(duì)提高氣化爐生產(chǎn)效率、節(jié)能減排和可持續(xù)性發(fā)展有重要意義。

[1]孟祥清,劉永健.碎煤加壓氣化工藝的設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].化工進(jìn)展,2013,S1:95-99.

[2]楊葆華.碎煤加壓氣化煤化工污水處理工藝設(shè)計(jì)探討[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2015，02:84-87+90.

[3]章榮林.基于煤氣化工藝技術(shù)的選擇與評(píng)述[J].化肥設(shè)計(jì),2008,02:3-8.

[4]萬(wàn)保健.碎煤加壓氣化技術(shù)[J].河北化工,2012,04:3-4+6.

[5]李志紅,喬海星.碎煤加壓氣化爐在中國(guó)的發(fā)展[J].煤炭加工與綜合利用,2001,05:16-19.