固定床煤气炉不可能被淘汰 应继续发展

杜始南

(江西昌昱实业有限公司,江西南昌 330013)

煤有褐煤、烟煤、无烟煤。煤矿开采出来的煤有大块、中块、小块、煤粉之分。每一品种、粒度的煤又有不同的结渣性、煤灰熔融性、灰熔点、冷强度、热裂性。为经济合理利用煤炭资源,煤气化技术主要分块煤(包括型煤)固定床气化、籽煤流化床气化、粉煤气流床气化三种。

我国是一个煤炭大国。三种类型的煤气化装置在国内都有运行,并且都在运行中继续发展。例如,气流床技术的SHELL炉、GSP炉、航天炉、德士古炉,流化床技术的恩德炉、灰熔聚炉,固定床技术的间歇气化炉、间歇连续两用炉、纯氧连续气化炉。

由于固定床间歇气化在造气车间有烟囱排放吹风烟气,下灰烟尘飞扬,因此,国家发改委要求逐步淘汰间歇块煤气化。但是固定床煤气化技术因为装置建设投资少、原料来源丰富、气化成本较低、操作管理容易以及它的连续化、型煤化、污染资源化、操作管理自动化水平迅速进步,使得固定床煤气化技术毫无退出之意。

实际上,固定床连续气化出口煤气温度和灰渣排出温度均较低。这就奠定了该技术运行成本较经济的基础。这是固定床气化原理决定的。

而且,企业规模也始终有大中小之分,中小规模的企业也绝不可能完全灭绝,所以,固定床煤气化技术在我国永远不会被淘汰。

1 固定床煤气化技术原理

无论是气流床、流化床、固定床,煤气化的原理都一样。主要化学反应式都是以下几个:

三者技术原理的差别主要在气化床层的大小和温度的高低。由此,产生了适合各种煤气化技术的气化炉以及适应各种煤气化技术的气化前备煤装置和气化后除尘、换热装置等工艺设备。

固定床气化炉的气化火层非常集中,总是处在炉箅或喷嘴附近。这是因为固定床内煤炭的位置是固定的。首先,气化火层进行气化反应(1)时的速度非常快速。反应(2)、(3)、(4)比起反应(1)虽然慢得多,但也是紧跟的。有效的气化反应只发生在气化火层。其次,固定床炉内的热交换主要是辐射传热,煤炭和灰渣的黑度大、衰减快,造成高温气化火层正常情况下是跑不出去的。因此,固定床造气炉的炉体不用太高,炉出口煤气、炉排出灰渣的温度都比较低,气化火层的热损失比较少,煤气除尘、降温的能量消耗也都比较少。虽然固定床用的煤化学活性最差,但它的比煤耗、比氧耗在三种工艺中却是最低的。

2 固定床煤气化技术发展中急需纠正的一些技术要点

我国固定床煤气化技术可以说是代表了世界水平的。但目前看来工艺操作各有说法,消耗水平和发气能力差距极大,技改的方向众说纷纭。兹将固定床气化技术的几个工艺设备问题,结合工作经验教训进行简单地分析,供大家参考。

2.1 高径比的问题

造气炉引进高径比概念实际上是很牵强的,有些人甚至鼓吹高径比应超过2。显然,这些人是忘记了固定床的床层是固定的这一前提了。因为煤的气化反应只在高温区发生,煤的温度在800℃以下时,气化反应已经没有实际效果。根据固定床煤气化技术原理,固定床的气化火层最高温度区不会超出炉箅风帽顶100～200 mm高,你把炉子做得那么高,不是给气化火层往上移创造条件了么。气化火层上移,煤气带出热增多,煤耗会急剧上升。有人说气化炉高度提高,单炉贮煤容积增加,可以相应增加炭层高度和渣层厚度,有利于降低造气炉的煤气温度、提高蒸汽分解率,对造气炉的负荷、消耗和气质均有利。这些说法是不准确的。原因如下。

(1)炭层高度和渣层厚度增加对降低煤气温度作用甚微,原因是煤和渣的导热系数都只有零点几,而气体的导热系数则只有零点零几,靠气固两相对流传热,交换不了多少热量。

(2)蒸汽的分解只在高温的气化火层有效进行,热炭层和灰渣层再高再厚都对它不起作用。

(3)由于炭层高度和渣层厚度增加,造成气化剂进出气化火层的阻力增大,对造气炉的负荷只会不利不会有利。

(4)由于给气化火层上移创造了条件,使得煤耗只会增加。

(5)气质还有可能降低,比如,对间歇气化流程来说,提高造气炉高度会引起吹风气中CO含量升高。制气时还会造成煤气中甲烷含量增加。

2.2 固定床炉系统的中氮流程和小氮流程

现在意义上的中氮流程指有燃烧室、三通阀、洗气箱、高烟囱和倾斜废热锅炉的流程,是原化工部45 kt/a合成氨造气车间的定型设计。而小氮流程指的是装置配置在小型基础上造气炉炉膛却已改大,配套管道阀门相应变得比较紧凑,吹风烟气二次燃烧搬到了吹风烟气余热回收工号的,气化后除尘、降温配置简化并全盘学来中氮自动化程度高的那部分技术的优化流程。

不消说,现在的小氮流程要强于中氮流程。因为,实质上它是中氮流程的优化。

2.3 小氮煤耗为什么比中氮低

煤耗低的原因是制气时间利用率高和气化火层热损失减少。

气化反应始终是只在气化火层进行的。由于送进气化剂和移出煤气的时间缩短,自然就提高了气化火层制气时间利用率,使单位时间煤气产量增加,煤耗也就下降了。况且小氮有炉顶阀,小氮的炉上空间(气化火层到炉顶阀之间的总空间)小,炉下空间相应小(中央风筒小,裤衩管短小,一次风阀、下行阀挨炉体近)。要理解这一点,必须明白气化剂是怎么进炉的,煤气又是怎么出炉的。气体进出气化火层,首先是充满空间,然后是充够空间压力到该压力足以克服炭层或灰渣层的阻力才能来到气化火层或走出气化火层。这个过程是需要时间的。比起气化火层反应速度快得无法计量来,气流进出气化火层所花的时间则是慢到完全可以计量。也就是说可控制。气流进出时间控制得短,制气时间利用率就高。

气化火层热损失的多少主要在于煤气和灰渣离开气化火层,或者说走出炉口、走出灰斗带出热量是多还是少。一般来说,各家炉体散热、夹套锅炉吸热、灰渣排出量显然都差不了多少。所以气化火层热损失的多少主要看煤气和吹风烟气显热、吹风烟气潜热、灰渣残碳。此三项中最重要的是煤气显热。也就是说看上下行煤气温度,因为它的含热量最多。小氮厂炉上下温度≤300℃,中氮厂却高得多。所以中氮煤耗高得多。

2.4 许多中氮厂为什么纷纷拆除大炉改上小炉

大炉改小炉实在是很不科学的举措。这样一来,浪费了土地资源又浪费了厂房,严重影响了后工序的负荷。这些人可能是看见小氮厂煤耗低想学习小氮,以为炉子小煤耗就低,不懂得固定床煤气化的基本原理。一些厂改了一台试了试,并没有效果,就收手不改了,还算好。例如贵州化肥厂。一些厂一下子全部由中型炉改成小炉,跨了,工厂倒闭了。例如原平化肥厂。

问题的严重性还在于,迄今为止许多人对固定床煤气化的技术原理仍然没有认识明白,仍然有许多人在指挥着上小炉子,一味地在改高炉膛。

2.5 煤球好还是煤棒好

许多厂的运行实践证明,煤棒气化优于煤球气化。

全部煤球进炉,一个是一个,粒度非常均匀。透气性能太好的结果是炉上温度居高不下,煤气出炉热损失大,灰渣排出未烧透的煤球多。要将炉上温度控制下来,灰渣残碳降下来得有较强的责任心和操作技巧。总之是操作困难。

全部煤棒进炉则不然,200～300 mm长的棒送到炉口时全部已经是40～80 mm的短截。随机堆积的结果是孔隙阻力大,炉出口煤气温度易于控制,灰渣排出未烧透的小短截煤棒不多。显然,煤棒炉比煤球炉好操作得多。这恐怕是印着了水至清则无鱼那句话了。

2.6 渣层的稳定高于一切

气化炉的稳定运行是实现优质低耗的根本。但影响固定床气化炉稳定运行的关键是什么呢?毫无疑问,是炉内结大块。

入炉煤块度均匀、大小颗粒度配比合理、含粉少,气化剂入炉流量平稳,炉箅布风均匀、炉条机排灰能力适当,恰当的百分比,合理的负荷和上下吹比例,合适的蒸汽用量都是保证气化炉稳定运行的基本条件。操作运行当中,固定床炭层高度和气化渣层厚度的稳定是气化炉稳定运行的首要条件。特别是渣层稳定,影响着全局。渣层好坏就是指有没有大块。最好的灰渣层指灰渣的粒度和入炉煤块一样,大小一样、均匀,都是熔渣却极少残碳的那种。这样,气化火层和炉箅层面有相当的安全距离,同时入炉的气化剂能得到均匀分布和预热,但问题是我们无法直接观察渣层和去测量其厚度,这就是渣层控制的实际困难。虽然炉条温度计安装在炉箅第一层缝隙处,应当说和渣层温度存在着一定的相关性,但由于炉条温度计是高温热电偶,测量的是气流温度,等测量到气化火层辐射热时,它跟炉箅一样已经被烧坏了。所以我们测得的炉条温度往往跟下行温度差不了多少就是这个缘故。许多小氮厂并不安装炉条温度计也就是这个缘故。

渣层的厚度,渣层灰渣块的均匀度,关系着造气炉的负荷量、灰渣残碳量。其操作控制主要靠操作工的责任心和对炉况的判断及炉情处置能力。不仅仅是通过调整炉条机的转速,改变排灰量和渣层的厚度,重要的是对全局的分析判断。

千万要明白,炉内大块不是靠炉箅破渣来控制的。炉箅只能实施正常的布风排灰。炉内大块是工艺操作指标与入炉原料品质不匹配造成的,是气化剂进出量不稳定造成的,是工艺参数在操作中控制失误造成的。

渣层的稳定,靠操作指标合理,靠操作工的操作控制责任心和技术水平。

2.7 气化炉负荷的控制

气化炉的负荷能力对应着一定品种品质的原料是肯定的。

随着气化炉负荷的提高,首先是吹风烟气带出热增加,煤气炉出口煤气带出热上升,蒸汽用量会以比负荷提高更大的比例增加,煤气和未反应的蒸汽带走的热量相应增加。同样,炉膛截面气流速度加快,气化剂在气化火层停留时间缩短,蒸汽分解率下降、二氧化碳还原率下降,煤气有效成分降低,综合煤耗将急剧上升。

多大截面的煤气炉,烧什么样的原料煤,只能生产它能够生产出的煤气。你让它多产是要付出高煤耗的代价的。

因此,气化炉的出口煤气温度(包括吹风烟气温度)对蒸汽分解率的影响是十分明显的。

气化炉出口的煤气温度(包括吹风气温度)和蒸汽分解率对气化炉的消耗水平和发气量影响极大。同样的设备、同样的煤种、同样的负荷,炉出口煤气温度越低,蒸汽分解率越高,煤气和未反应的蒸汽带走的显热越少,则煤耗越低,煤气中有效成分愈高,反之亦然。

当然,建造煤气炉是为了生产煤气的,你也不可能为了低煤耗就降低生产负荷,是不是。

2.8 加压夹套锅炉问题

造气炉的夹套锅炉是保护造气炉炉壁不被烧坏用的。因为造气炉气化火层位置在造气炉炉箅附近,其温度高达1 300℃。没有水夹套钢铁会被烧坏,如果采用耐火材料做衬里会灰渣挂壁,当然,如采用特殊材料比如涂层也可以,但成本高。所以做水夹套是最佳选择。

煤气化炉夹套的高度值一般等于炉膛直径,这是为适应宝塔炉箅创建的气化火层位置的。

每台煤气化炉应该有一个独立的汽包,夹套锅炉的汽包应该独立放置到比夹套锅炉高的位置,汽包升降管不得安装任何阀门。这些是国家锅炉安全监察规程规定的。

固定床煤气炉夹套锅炉应该按蒸汽的用途确定需要控制的压力。

许多厂一味地追求加压夹套。以为蒸汽压力高蒸汽品质就好,可以克服造气炉冷壁效应,多产煤气、可以减少气化火层跟夹套锅炉水的温差,降低气化火层热损失。

这些说法并不科学。原因如下。

(1)蒸汽品位是依附于蒸汽的用途的。

(2)冷壁效应的概念在固定床造气炉并不适用,因为气化火层位置的传热主要是辐射传热而不是对流传热,在1 300℃的情况下,对流传热是被忽略了的。

(3)生产蒸汽为目的的夹套锅炉拿走热量的多少,不是以气化火层给出热量多少为依据的,而是以蒸汽拿走多少热量来衡量的,要让气化火层减少一些热损失,那得少向它要些热量。

(4)事实上,夹套锅炉压力提高后锅炉水的温度提高,对周围环境散热增加,浪费的热量更多。当然,必须让造气炉夹套锅炉生产高压蒸汽才能将蒸汽送到使用地方时,造气炉夹套锅炉还是应当采用加压夹套的。

现在的问题是,半扣管夹套锅炉的采用非常不合适。原因如下。

(1)以圆形管道耐压能力为依据,认为半扣管也能耐同样压力是错误的。因为形状不一样,设计采用的计算式不能一样。

(2)即使找到合适的计算式,焊缝那么多,必须100%进行探伤认可。实践中做不到。

(3)安徽华泰,湖北金源、楚星等多家在用造气炉半扣管夹套锅炉没有一家是在设计规定压力以上爆炸的,远不到设计操作压力就爆炸了。完全证明此夹套锅炉有严重的安全隐患。

(4)造气炉的夹套内筒有磨损,应定期更换,半扣管夹套锅炉非常容易产生新的安全隐患。

2.9 关于入炉蒸汽缓冲罐

许多人要求在造气炉入炉蒸汽总管增安蒸汽缓冲罐。希望减少蒸汽入炉时的波动。安装后却没有人去看看究竟有没有作用。这种行为实际上是使用者的一厢情愿,对稳定入炉蒸汽压力没什么作用。因为,间歇制气造气炉入炉蒸汽量的波动是由于一台炉用汽或一台炉不用汽造成的,波动值总是在总汽量的25%以上。而且用汽或不用汽很性急,总是要求供汽者立马做到。

蒸汽缓冲罐不像煤气柜那样是能保持恒压的,因为煤气柜是有配重的,所以它能自恒压。煤气柜能保证压缩机一段入口跟气柜一样的压力。蒸汽缓冲罐则不可能。

解决入炉蒸汽波动最好的办法,是每台炉安装一个蒸汽减压阀直接从入炉蒸汽总管取汽。只要把入炉蒸汽总管压力适当提高,减压阀安装位置靠近炉体,入炉蒸汽想进多少就进多少,根本不会受其他炉的影响。

安装缓冲罐不仅对缓和蒸汽入炉的波动毫无用处,反而增加了投资、管理、维护、热损失。

2.10 关于炉箅

固定床造气炉炉箅的重要性不言而喻,但很多人不重视,半个多世纪的时间过去了,仍然没有什么太大的进展。

目前,基本是带破渣筋条的宝塔炉箅一统天下。这是上世纪70～80年代化工部组织对U GI造气炉从原料路线到设备改革的产物。从那以后,原料由焦炭变为无烟煤;炉条机由 U GI 2745大的铜制涡轮蜗杆变为J28机架结构;原来爬在灰盘上的灰筋也在清华大学、华东理工大学教授们的设计下改爬到了宝塔炉箅的各层面上。

当时的技术改造对促进煤气化技术进步是有目共睹的。不过现在看来,就炉箅而言,我觉得灰筋爬在宝塔炉箅各个层面上似乎不妥。造气炉内最怕的是结大块。你人为地制造一些大块放在炉箅层面上,这不是害自己吗?好在这些块分布还算均匀,几十年用下来也马马虎虎。但我们还是应该认识到这是一个设计错误。

谈炉箅的破渣,首先必须清楚正常的工艺,炉子里是不应该有大块渣的,炉箅的主要用途更不是让它去破渣的,只不过炉箅的最底下一层,配合夹套内壁下部的夹套保护板,一旦工艺不好结了块对大块渣会起到破碎灰渣的作用这是肯定的。但上面那几层的灰筋则可以说完全没有用,而且只有害处。因为炉条速度是非常慢的,灰筋对灰移动的阻滞作用只会拖延灰离开气化火层的时间,硬要让它熔融硬,要让它结成大块。最底下那层炉箅外边缘的线速度也仅仅只有大约2 mm/s,而且要弄碎渣块是必须固定住它的。

炉箅是合理分配气化剂和引导灰渣顺着夹套内壁跟炉箅之间的通道离开气化火层落到灰盘的储灰腔然后排到灰斗用的。所以炉箅层间缝隙在1、2、3层应当窄些,往下应当宽些。因为灰渣中的细灰比例越到下面越大。炉箅的整体倾斜程度跟炉体的落灰通道宽度要匹配。

严格地说,真正把气化剂均匀分布到气化火层,依靠的是炉箅附近灰渣的粒度均匀,而灰渣粒度的均匀依靠的是入炉原料粒度的均匀和工艺操作指标的合理以及工艺操作控制得当。

工艺控制不当造成灰渣粒度不均匀或细灰挡住炉箅层间缝隙时,操作工往往希望炉箅设计者能让炉箅来解决此问题。昌昱公司的最新一套专利炉箅可能是比较好的解决方案,因为它的层间缝隙上窄下宽,落灰通道宽度和整体倾斜程度比较合理,底下两层炉箅边缘有掀灰铲,能将细灰抬起一条缝来,最大旋径层有割渣刀。

至于间歇生产时下气道带灰多,现在一般的炉箅都已经能妥善解决。

2.11 关于造气炉炉况调优

调优炉况,实质上就是调稳炉况。让造气炉自动运行在预先设定的自己认为良好的工艺环境之中。昌昱公司有一款炉上下温度跟百分比调节自适应专利软件,可能是比较好的。

2.12 关于不停车自动下灰

不停车自动下灰目前正在受到越来越多的企业采用。

基本上有以下几种方式在使用:①浙江江山化工厂等的水封刮斗挖渣机;②平顶山富氧连续生产造气炉的上下位圆盘阀出渣装置;③鲁山铝厂等的上下位插板阀加皮带输送出渣装置;④贵州水晶煤气厂等的水封螺旋出渣机;⑤一些厂学习气流床出渣方式的液压推渣机;⑥贵州开磷和河南心连心的上位座板阀下位圆盘阀下灰装置。

水封刮渣机的刮斗到底下时,为了刮起灰渣必然受到地下的垂直向上反力,会抬起刮板机,所以用在造气炉是有着原理错误的。其他几种各有优缺点。

这其中恐怕上下位座板阀不停车自动下灰装置更科学更经济合理。因为座板阀在阀板提起时,能触动灰渣,故不容易堵塞出灰口。而且座板阀运行可靠密封性较好。此项技术是昌昱公司2007年在贵州兴化实验成功的。

2.13 关于吹风百分比

间歇生产的吹风百分比,是首要的气化工艺指标。每循环180 s、150 s、120 s,究竟哪种好?决定条件只有一个,就是原料煤的结渣性。

因为固定床炉子是特别要求灰渣必须结小块不能结大块的。而气化火层里的灰又是熔融的,熔融灰量的多少是吹风的氧多少或通氧时间长短决定的。风里的氧21%是固定的。百分比总时间越长,吹风时间肯定会越长。这样,吹风百分比总时间和各阶段时间安排就出来了。

2.14 炉条机和灰盘滚道底盘的运转寿命问题

它们的运转寿命影响到造气炉的运转率。所有的人都希望寿命长,机器也一样。

最近,昌昱公司的几项专利,可能对固定床造气炉的运转寿命会有比较大的好处。

(1)滚道上的球轴承改成了圆锥滚子轴承。使轴承受力由承受轴向力为主,变为承受径向力为主。符合了滚道上的受力分析实际结果,解决了灰盘跑偏难题。

(2)第一灰道迷宫密封刮上了挡灰帘。有效挡住炉膛和灰斗细灰、飞灰进入齿轮灰道通路。

2.15 固定床造气炉安全生产问题

固定床造气炉的安全生产,除了上面提到的夹套爆炸以外,最糟糕的是间歇制气一次风管道、阀门爆炸和连续制气灰仓烧烂。

昌昱公司最近的设计方案专利技术可以很有效地消除这些问题。

(1)间歇炉下落开炉顶阀、下落开烟囱阀的安装使用专利技术。

(2)连续炉灰仓灭火装置专利技术。

2.16 关于固定床造气炉系统液压大阀门

固定床间歇制气每一台造气炉,都有14～19个油压大阀门,如果不保温,既浪费热量又烫人。如果保温,又影响操作环境、也影响检修环境。许多厂选择了不保温,或保温好了的却在检修时不得不拆除。

最近,昌昱公司开发了内隔热液压大阀门,既减少散热损失,又还原良好的环境。

3 常压固定床煤气化技术下一步的方向——纯氧连续气化

常压固定床纯氧连续气化工艺,目前已在一些厂实施,表1仅仅罗列了几个。

表1 部分纯氧连续气化厂家

常压固定床连续气化工艺技术方案,也就是常压固定床纯氧气化工艺技术方案,昌昱公司的技改设计所已经申报了专利。

(1)我国常压连续固定床气化的发展历史

固定床连续气化工艺在我国最早可能是吉化及稍后的淮化、太化首先在常压固定床间歇炉上试运行的。上世纪70年代引进加压固定床连续气化造气的鲁奇炉用于生产硝铵、复合肥。

昌昱公司是2007年开始开发常压富氧连续气化工艺技术的。常压富氧连续气化是在间歇气化工艺基础上发展起来的。由于当时煤价还不是太高,而制氧成本仍相当高,氧成本在煤气总成本中要占25%以上,所以多数厂力不从心,只好要求我们设计间歇、连续两用炉的工艺。

今后,煤价只会越来越高,制氧成本却逐渐下降。今天的纯氧单价已经是0.35元/m3上下,纯氧连续气化的纯氧成本已经只占半水煤气总成本的5%～6%。常压纯氧固定床连续气化得到许多厂的青睐是历史的必然。

(2)固定床常压连续气化跟固定床常压间歇气化的比较

所谓纯氧气化都应该是连续气化,如果纯氧气化还间歇生产,实在是太可惜了。

纯氧气化的根本性优点,是去除了进入气化火层的惰性气体(如氮气等既不参与气化反应反而带出气化火层里高温炭的热量),提高了气化剂的分压,提高了炉内高温炭热量利用率。

就固定床气化工艺的原理而言,间歇气化是把创建气化火层和使用气化火层人为分两个时间段,连续气化则看起来没有分为两个时间段。其实,煤的气化都必须在高温条件下进行,连续气化利用的是微观上高温下煤跟O2的反应比煤跟H2O、CO2的反应快得多这一原理实现的。因此,昌昱公司技改设计所设计两用炉工艺,并让无论间歇气化还是连续气化都能做到高效。