Shell煤氣化爐用煤及生產(chǎn)調(diào)控

(天津渤化永利化工股份有限公司，天堿 300452)

Shell煤氣化技術(shù)憑借原料適應(yīng)廣、能量利用率高、連續(xù)生產(chǎn)能力強(qiáng)和碳轉(zhuǎn)化率高等優(yōu)勢(shì)立足于煤氣化技術(shù)領(lǐng)域。大量生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，原料煤穩(wěn)定且適宜的熔渣特性是保障此類氣化裝置穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素，液態(tài)渣的黏度太低，易導(dǎo)致氣化爐水冷壁掛渣困難，燒蝕銷釘；黏度太高，又不利于排渣，甚至發(fā)生氣化爐排渣口堵渣，影響生產(chǎn)。因此，工業(yè)上通常采用添加助熔劑或者配煤的方法來獲得符合液態(tài)排渣爐要求的煤[1]，由于液態(tài)渣的黏度測(cè)試難度大，用于工業(yè)生產(chǎn)調(diào)控具有較大局限性，所以，研究煤灰中的各成分對(duì)煤灰熔融特性的影響，對(duì)有效配煤具有重要指導(dǎo)意義。

1 影響灰熔點(diǎn)因素

煤炭由有機(jī)質(zhì)、水分和礦物質(zhì)組成，其中礦物質(zhì)以黏土礦物、碳酸鹽、硫化物、氫氧化物、氧化物、重礦物、磷酸鹽和鹽類礦物為主要成分，主要由硅、鋁、鐵、鈣、鎂、鉀、鈉、硫8種主要元素和鈦、鋅、鋯、銅等14種痕量元素組成。這些礦物質(zhì)的含量和種類對(duì)煤灰的熔融溫度和黏溫特性有較大影響，總體來說，酸性氧化物SiO2、Al2O3、TiO2含量越多，煤灰熔點(diǎn)越高；堿性氧化物Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O含量越多，灰熔點(diǎn)越低，且隨著酸堿比的增加，灰熔點(diǎn)呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢(shì)，當(dāng)堿酸比在0.4～0.7時(shí)，灰熔點(diǎn)最低。

1.1 CaO對(duì)灰熔點(diǎn)的影響

CaO屬于堿性氧化物，本身熔點(diǎn)很高，但它可與煤灰中硅鋁化合物發(fā)生反應(yīng)，破壞硅聚合物結(jié)構(gòu)，生成鈣長(zhǎng)石，使灰熔點(diǎn)及灰黏度降低，但與此同時(shí)，又會(huì)形成高熔點(diǎn)的正硅酸鈣(CaSiO3)，在大量添加石灰石的條件下，形成的正硅酸鈣有所增加，致使體系灰熔點(diǎn)溫度上升。所以，隨著CaO含量的增加，灰渣的熔融溫度先降低后升高。此外，鈣含量高的煤灰易形成難以被吹掃除去的玻璃態(tài)熔融灰，造成積灰，故工業(yè)通常控制CaO含量≤12%。

1.2 硅鋁比對(duì)灰熔點(diǎn)的影響

煤灰中的硅鋁氧化物占到70%～80%左右，其含量均對(duì)煤灰熔點(diǎn)具有雙重性作用。當(dāng)SiO2含量在45%～60%范圍內(nèi)時(shí)，煤灰熔點(diǎn)隨SiO2含量的增加而降低，但SiO2含量太高時(shí)，煤灰黏度和熔融溫度均隨之增高。Al2O3在煤灰熔融時(shí)起骨架作用，它能明顯提高煤灰的灰熔點(diǎn)溫度。雖然硅和鋁都有增高灰熔點(diǎn)的作用,但含硅的氧化礦物群和硅酸鹽礦物群與其他組分會(huì)形成較鋁酸鹽共熔體灰熔點(diǎn)還要低的低熔點(diǎn)共熔體。研究顯示，硅鋁比更能顯示出二者對(duì)灰熔點(diǎn)的影響，當(dāng)硅鋁比小于1.7時(shí)，灰熔點(diǎn)較高，大于2.8時(shí)，灰熔點(diǎn)較低。一般來講，配煤后硅鋁比在2.0以上，灰熔點(diǎn)在1 350 ℃左右，我廠多控制為1.85～2.5。

1.3 鐵對(duì)灰熔點(diǎn)的影響

較硅鋁而言，鐵在煤灰中的含量相對(duì)較低，隨著Fe2O3增加，灰熔融特性溫度呈單調(diào)降低。Shell氣化爐內(nèi)為弱還原性氣氛，鐵被還原為二價(jià)化合物，并與硅、鋁氧化物形成鐵橄欖石、鐵斜輝石和硬綠泥石等低熔點(diǎn)礦物質(zhì)，使灰熔點(diǎn)明顯下降。研究表明，積灰時(shí)會(huì)發(fā)生鐵的富集，積灰的軟化溫度較原煤灰低，當(dāng)灰中的Fe2O3與CaO摩爾比接近1時(shí)，混煤灰最易結(jié)渣，特別是在高溫(爐溫大于1 680 ℃)操作的條件下，會(huì)生成穩(wěn)定的磁鐵礦Fe3O4，不僅易堵渣，而且還會(huì)增加合成氣冷卻器發(fā)生結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)，因此要關(guān)注煤中鐵含量[2]。一般情況下，鐵的適宜含量為≤15%。

1.4 鈉、鉀對(duì)灰熔點(diǎn)的影響

煤中鈉、鉀含量雖然低，但對(duì)灰熔融特性的影響不容忽視。堿金屬鈉與鉀的化合物氣化時(shí)會(huì)變成氧化鈉與氧化鉀揮發(fā)出來，并與水蒸汽、CO2、SO2、O2、SO3反應(yīng)生成NaOH、KOH、Na2SO4、Na2CO3等低熔點(diǎn)物質(zhì)，它們?cè)谟龅綔囟容^低的受熱面時(shí)，就會(huì)凝結(jié)在上面，同時(shí)還會(huì)把其他飛灰顆粒粘上，成為較厚的一層積灰層。其中，鉀的揮發(fā)性較鈉低，這可能歸因于雖然大多數(shù)的含鉀礦物質(zhì)的組織結(jié)構(gòu)在高溫下被破壞，但是并沒有產(chǎn)生化學(xué)分解，因此鉀釋放較少。大部分蒸發(fā)出來的K與水蒸汽等反應(yīng)，最后以KOH的形式存在。鈉的揮發(fā)相對(duì)較高，故在帶有廢鍋流程的煤氣化生產(chǎn)過程中，需注意煤中Na2O的含量，以避免廢鍋積灰。由于煤中鈉和鉀的含量較低，工業(yè)多采用鉀鈉和(鉀和鈉含量之和)指標(biāo)來代表其對(duì)煤灰熔點(diǎn)的影響，要求≤2%。

2 渣型判斷及控制

2.1 渣的形態(tài)

煤渣的形態(tài)能夠在一定程度上反映出氣化爐的運(yùn)行狀況。當(dāng)氣化爐操作溫度較高，液態(tài)渣黏度低時(shí)，受排渣渣池內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流影響，離開氣化室渣口的液態(tài)渣膜易破裂成較細(xì)的渣絲或渣滴。理想的渣型包含大多數(shù)2～5 mm玻璃狀渣粒和少量針狀物，若渣中針狀物多或出現(xiàn)1～2 mm 渣滴，則說明爐溫較高，液態(tài)渣流動(dòng)性高，若渣中15～20 mm小團(tuán)塊多，且排渣量減少，則說明爐溫低，液態(tài)渣流動(dòng)性差，存在堵渣風(fēng)險(xiǎn)。氣化爐操作溫度太高時(shí)，易使熔渣大量沉積在渣屏表面，形成米級(jí)尺度渣層，當(dāng)渣層與水冷壁管的粘附力小于渣層自身重力，或由于渣池內(nèi)溫度梯度過大而造成固態(tài)渣層內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)而引起渣層開裂，均可能導(dǎo)致沉積在渣屏表面的固態(tài)渣層脫落，形成較大渣塊。

2.2 渣的晶態(tài)

正常渣中礦物質(zhì)的主要存在形式為非晶態(tài)，其中少量的晶體物質(zhì)主要是石英、莫來石和鈣長(zhǎng)石。而非正常渣主要由晶體礦物質(zhì)組成，源于含鈣、含鐵礦物質(zhì)在煤的氣化過程中形成鈣長(zhǎng)石并發(fā)生富集和析晶，所以晶體物質(zhì)的主要存在形式為鈣長(zhǎng)石，個(gè)別情況下會(huì)存在大量的隕硫鐵和少量的單質(zhì)鐵。有的非正常渣外表面主要成分是鈣質(zhì)硅鋁酸鹽，有的則是(Fe-S-O)熔體結(jié)構(gòu)，且這種結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的粘附沉積性質(zhì)。有研究表明，添加石灰石雖然能降低灰熔點(diǎn)，但這種入爐煤極易因操作條件的波動(dòng)而使煤灰中有大量的鈣長(zhǎng)石結(jié)晶物突然生成，增大液態(tài)排渣困難，甚至造成氣化爐堵渣。此外，較低的爐溫也易導(dǎo)致激冷后的渣為結(jié)晶渣。

不同煤種的灰熔點(diǎn)隨硅鋁比的變化呈現(xiàn)不一樣的變化趨勢(shì)，煤的灰熔融溫度與煤灰初始硅鋁比和熔渣中的結(jié)晶礦物質(zhì)有不同程度的關(guān)聯(lián)。高鈣類煤灰渣為典型的結(jié)晶渣類型，有明顯的黏度驟升現(xiàn)象。對(duì)高鈣低鐵類煤，煤灰初始硅鋁比和高溫下灰渣礦物質(zhì)的結(jié)晶過程對(duì)煤灰熔融溫度有明顯影響，臨界黏度溫度隨著硅鋁比的增加而降低，這種現(xiàn)象是煤灰硅鋁比及堿性氧化物CaO含量共同影響的結(jié)果。對(duì)于高鈣高鐵類煤種，堿性氧化物含量過高，SiO2含量過低，造成黏度出現(xiàn)波動(dòng)，可通過添加適量SiO2來改善黏溫曲線的波動(dòng)性[3]。

3 操作控制

在生產(chǎn)條件下，由于配煤不均，偶爾會(huì)發(fā)生煤質(zhì)突然變化的情況，導(dǎo)致灰熔點(diǎn)急劇上升，或者是遇到氣化爐水冷壁、燒嘴罩及燒嘴頭發(fā)生泄漏等情況時(shí)，原有的爐溫較特殊工況下所需的溫度偏低，若沒有及時(shí)提高氧煤比，則會(huì)導(dǎo)致液態(tài)渣的黏度上升，并積聚在渣口，此時(shí)，如果不調(diào)整爐溫，會(huì)造成渣口堵渣。但若大幅度調(diào)整爐溫，又容易導(dǎo)致發(fā)生垮渣，堵塞收集器V1402的錐部。此外，爐溫低時(shí)，煤粉的轉(zhuǎn)化率有所下降，會(huì)使得部分未完全反應(yīng)的煤粉進(jìn)入渣池，并在V1402錐部和排渣罐V1403錐部沉積堆實(shí)，發(fā)生堵塞。為避免上述情況，生產(chǎn)中一定要控制好煤質(zhì)，使煤的灰分和灰熔點(diǎn)波動(dòng)范圍分別小于6%和100 ℃，同時(shí)還要調(diào)整好爐溫，保證操作彈性大于100 ℃。 通常可通過蒸汽產(chǎn)量 13FI0047 與合成氣中CH4和CO2含量來推斷爐溫情況，在生產(chǎn)允許的情況下，為保護(hù)設(shè)備，爐溫不宜過高。

4 結(jié) 論

氣化爐用煤中CaO、硅鋁比、鐵、鈉和鉀等指標(biāo)對(duì)其灰熔點(diǎn)有重要影響，使用綜合指標(biāo)合格的煤是確保Shell煤氣化爐穩(wěn)定運(yùn)行的根本保證。工業(yè)通常采用配煤方式得到符合生產(chǎn)要求的合格原料煤，適宜的用煤指標(biāo)為氧化鈣≤12%、硅鋁比1.85～2.5、鐵≤15%、鉀鈉和≤2%。此外，通過觀察煤渣形態(tài)和氣化爐運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)調(diào)控氧煤比，確保爐溫適宜，是保持穩(wěn)定生產(chǎn)的基本要求。