殼牌煤氣化裝置灰渣殘碳量高的原因分析與解決措施

姜 楊

(同煤廣發化學工業有限公司，山西 大同 037000)

引 言

在高溫以及高壓的條件之下，煤粉、氧氣和較少的蒸汽在特定壓力條件下被輸送至氣化爐裝置之中，并且在非常短時間之內提升溫度以脫出煤粉中的揮發分，完成裂解、燃燒以及轉化等反應。因為氣化爐裝置中溫度相對較高，所以，當有氧氣存在時，煤粉中的碳以及揮發分等主要是發生燃燒反應，當氧氣全部消耗完以后，發生碳轉化反應，此階段也是氣化階段，所得產物主要為CO氣體與H2氣體。若灰渣之中的殘碳量相對較多，說明較多的碳未能進行氣化反應，這樣不僅導致大量資源被浪費，也使得CO氣體以及H2氣體產物數量有所減少，會給企業帶來一定的經濟損失。

1 殼牌煤氣化系統具體運行狀況分析

1.1 灰渣殘碳量高

我公司煤氣化系統于2014年9月份開車運行，在2015年4月正式投產使用。在殼牌煤氣化裝置運行時一直存在灰渣殘炭量高的問題，灰分之中的殘碳量高達16.5%，而渣分之中的殘碳量高達3.9%，遠遠超出了殘碳量設計值。因為灰渣之中殘碳量相對較高，導致系統運行中氣化效率和碳轉化率相對較低，使得系統運行過程中成本投入相對較高，同時，灰渣里面殘碳量對火炬裝置同樣造成了不利影響，導致系統運行的安全隱患有所增加。另外，沒有進行碳轉化反應的這些殘碳會吸附在過濾裝置濾芯之上，使得過濾裝置的壓差有所增加，而且也明顯減少了濾芯的使用壽命。一些粒徑小于3 μm的煤粉顆粒會進入到濕洗系統之中，導致水處理系統負荷進一步增加。針對煤氣化裝置中灰渣殘碳量進行取樣分析，得出結果如表1所示。

表1 煤氣化爐裝置總灰渣殘碳量抽樣測試數據

1.2 煤種分析

現階段，由于受到受到各種因素的影響，我公司殼牌煤氣化系統運行中所使用的原料煤為較為劣質的褐煤，煤質分析具體數據如表2所示。

表2 煤質分析數據

通過上述數據能夠看出，在殼牌煤氣化系統中實際使用的煤質和原料煤設計值存在相對大差異，實際使用煤種發熱量相對較低，而且含灰量相對較高。

2 殼牌煤氣化裝置灰渣殘碳量高的具體原因

在2015年殼牌煤氣化系統運行時存在灰渣殘碳量較高的問題，其中主要原因包含以下幾點。

2.1 氣化爐爐膛溫度較低

由于爐膛中溫度相對較低，導致很多碳沒有發生轉化反應，使得灰渣之中碳含量相對較高。系統運行時激冷比為1∶1，廢熱鍋爐裝置的入口溫度僅僅為550 ℃～580 ℃左右，但是氣化爐爐膛的設計溫度為650 ℃左右，而且在初合成氣體之中二氧化碳氣體所占比例僅僅不足5%，而其設計值為10%，說明了氣化爐的爐膛溫度相對較低，導致氣化反應不完全，使得灰渣中殘碳量增加。另外，渣層也非常厚，厚度值可達5 cm左右，也從側面證明了氣化爐爐膛中的溫度相對較低，導致煤粉不能完全反應，從而使灰渣中殘碳量較高[1]。

2.2 煤粉計量不精確

在殼牌煤氣化系統運行過程中，最為關鍵的是應當嚴格控制氧煤比例，以確保氣化爐裝置之中的溫度以及合成氣成分的有效控制，保證以液態形式完成排渣工作。在對氧煤比進行控制時，其是在維持輸送至氣化爐爐膛之中氧氣量固定情況下，采取調節煤粉數量的方法控制氧煤比，以對反應深度進行調節，確保氣化爐裝置中爐膛溫度適宜，并保證氣化效率得以提升。氧氣的計量相對來說較易控制，也較為準確，不過，在進行煤粉計量過程中卻存在較大誤差，這將嚴重影響到爐膛溫度以及煤氣化效率[2]。

因為氣化爐裝置中燒嘴部件和徑向的夾角值是4°，當煤粉顆粒經由一定的壓力噴射到氣化爐裝置中，會受到高速氧化劑剪切以及霧化作用，從而出現交叉狀的射流，最后以錐形射流形式逐漸朝著氣化爐爐膛中心位置擴散，并且在中心形成切圓，燒嘴的根部位置會形成回流，這樣更加有利于煤粉發生穩定的著火與燃燒，燒嘴分布示意圖如圖1所示。

圖1 燒嘴分布示意圖

在我公司殼牌煤氣化系統運行過程中，煤管中煤粉輸送速率遠遠超出7 m/s，導致煤粉停留時間相對較小，煤粉無法充分反應，而且爐膛之中反應介質速度場存在不均勻分布的問題，使得煤粉無法充分燃燒，煤粉氣化的效率較低。在停爐查看之后發現，燒嘴部件的下方位置渣層厚度存在不均勻現象。

2.3 燒嘴運行不夠穩定

在殼牌煤氣化系統之中，氣化爐裝置的燒嘴呈水平對稱分布，這樣能夠確保煤粉以螺旋狀上升，使得煤粉能夠更為充分的燃燒。然而，2015年我公司殼牌煤氣化系統中氣化爐燒嘴的同時在線率卻相對較低，使得爐膛之中氣流出現不均勻的問題，存在嚴重的偏流現象，導致煤粉燃燒不夠均勻，使灰渣中殘碳量較高[3]。

2.4 氧氣溫度偏低

我公司運行的殼牌氣化爐系統設計進爐氧氣溫度為180 ℃，但是，在殼牌煤氣化系統運行過程中卻未能加設氧氣預熱裝置，使得火焰的中心溫度偏高，導致氣化爐中其余部位溫度也相對較低，灰渣之中的殘碳量也會隨之增加。另外，由于氧氣溫度偏低，使得實際氧煤比出現偏低的問題。

3 煤氣化裝置灰渣殘碳量高的解決措施

3.1 提升反應的溫度值以及壓力值

通過有效提升氧煤比能夠顯著增加氣化爐爐膛之中溫度值，從而加快煤氣化反應的速率，以有利于正反應順利進行。通過提升氧煤比還能夠有效增加廢氣鍋爐入口位置的煙氣溫度，會使得蒸汽產量有所增加。另外，通過提升氣化爐裝置壓力值同樣能夠推動氣化反應的進行，確保碳轉化率進一步增加，氣化反應的效率也會得到改善，從而使得灰渣中殘碳量所有降低。

3.2 保證煤線計量的精確性

重新對煤循環進行調整，確保全部煤線輸送至氣化爐中的燃煤數量保持一致，同時確保氣化爐裝置之中氣流場能夠保持均勻，精確控制單燒嘴氧煤比，使全部煤線均投入生產，保證負荷的一致性。這樣便能夠保證氣化爐裝置之中氣流保持穩定，從而使煤粉能夠和氧氣更為充分接觸，有利于燃燒效率和氣化效率的進一步提升，從而確保灰渣中殘碳量有所減少。

3.3 增設氧氣預熱裝置

通過增設氧氣預熱裝置能夠有效避免燒嘴部件發生腐蝕，確保燒嘴使用壽命顯著增加，同時促使氣化爐裝置中反應溫度的進一步提高，從而保證實際進入到氣化爐之中的氧氣量更為精準。

4 殼牌煤氣化裝置改造之后效果分析

在經過上述各項技術措施改造之后，殼牌煤氣化系統中氣化爐裝置的灰渣殘碳量顯著減少，達到了設計要求，后期經過測試得出灰中殘碳量均小于2%，渣中殘碳量均小于1%，具體測量數據如表3所示。

表3 煤氣化爐裝置改造之后總灰渣殘碳量抽樣測試數據

5 結語

結合我公司殼牌煤氣化系統的具體運行狀況，針對殼牌煤氣化系統運行中存在的灰渣殘碳量高這一問題加以深入分析與探討，同時制定了相應的措施，確保灰渣殘碳量最終達到了設計要求，系統中灰份的殘碳量控制在2%之內，渣份的殘碳量控制在1%之內。通過上述技術改造，不僅有效節約了煤炭資源，還能確保殼牌煤氣化系統更加安全與穩定的運行，同時擁有極為顯著的經濟效益以及社會效益。