碎煤加压气化炉空气点火开车方法的改进

(中海油大同SNG项目组，山西 大同 037000)

碎煤加压气化炉是煤化工的关键设备，也被看作是煤气化炉中的发生器。这种产自德国的工艺技术，在世界范围内得到了广泛地应用。上世纪70年代末期，山西化肥厂气化装置成套引进了德国鲁奇第三代碎煤加压气化工艺技术，同时也开始了针对鲁奇工艺生产的探索和研究。本文以国内采用该气化技术的某化工企业对鲁奇碎煤炉的运行状况作为研究对象，总结了国内鲁奇工艺加压气化炉的运行和改造现状，提出了气化炉空气点火的注意事项和操作方式。

1 碎煤加压气化技术来源

鲁奇加压气化炉是最早的一种碎煤加压气化工艺，也是工业化最早的一种加压气化工艺。以固态排渣的鲁奇碎煤加压气化技术于1927年开始研发，经过70多年的不断发展和改进，鲁奇碎煤气化炉处理煤种的适应性由原先的褐煤逐渐扩展到弱黏结煤的所有煤种，该气化技术的单炉产气量也不断增加，由原先的第一代炉型8 000Nm3/h到现在的第4代炉型120 000Nm3/h。由于工艺技术的不断完善和成熟，鲁奇公司的气化技术已经被很多国家采用。到目前为止，鲁奇公司先后开发出了4代气化技术，尤其是鲁奇Mark4型第3代气化技术，在世界范围内得到比较广泛的应用。世界范围内，由鲁奇公司提供成套技术并且正在运行的气化炉有100多台，其中80 台在南非，14台在美国，7台在印度金达，7台在中国(其中4台在天脊集团，3台在河南义马集团)。目前，该气化炉运行状况良好。早期国内采用的是鲁奇Mark4型气化炉，气化炉压力2.95～3.05MPa(g)，单炉产气量3.5万～5.5万Nm3/h，气化炉运行基本稳定，也基本实现了污水达标排放。

2 碎煤加压气化技术在国内的开发与应用

在中国，为了开发这项煤气化技术，上世纪60年代初到70年代末，我国也相继在云南、沈阳、山西、哈尔滨、兰州等地建起了鲁奇碎煤加压气化工厂。国内的赛鼎工程有限公司主要承担设计了φ2.8碎煤加压气化炉的设计和运行，赛鼎工程公司完成了天脊第5台炉Mark4气化炉设计和义马煤气厂5台Mark4气化炉的设计，并顺利建成投产。

近年来，赛鼎工程有限公司又在Mark4型气化炉运行操作经验的基础上，开发了新一代碎煤加压气化炉——赛鼎4.0气化炉。大唐克什克腾煤制天然气公司气化装置就采用该公司设计的4.0MPa(g)的碎煤加压气化炉，该碎煤加压气化炉实现了稳定运行。

3 碎煤加压气化炉工艺特点

碎煤加压气化工艺技术是以煤和气化剂中的氧气燃烧提供热量，由底部旋转的炉箅来分布气化剂，并与上部下降的燃料煤逆向接触发生化学反应，反应后的煤将剩余的灰渣以固态形式排出气化炉的生产工艺。气化炉炉体是由双层钢板制成的压力容器，内外筒体之间形成一夹套，夹套内充有锅炉水作为补给水，操作期间，夹套吸收气化炉内的热量，产生饱和蒸汽，压力稍高于气化炉压力，此蒸汽并入到气化剂管线后返回至气化炉内，这样可合理利用了自产蒸汽，外供的过热蒸汽供给量就减少了。

粒度为6～50mm的煤，从常压的煤仓通过煤锁加泄压间断地加入到带压的气化炉内。煤进入气化炉后，经过煤的干燥、干馏进入到气化层，与来自底部炉箅的气化剂(经过灰渣层吸热和燃烧层燃烧)逆流接触发生化学反应，生成含有一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷等成分的合成粗煤气，生成的粗煤气将热量传递给逐步下降的煤层，以500～600℃的温度离开气化炉进入到气化装置的洗涤冷却系统，进行处理后送出界区，洗涤冷液混合物被送入煤气水分离装置进一步分离。反应完的燃料煤所产生的灰渣被连续排入到底部的灰锁中，通过加泄压间断地排入到底部的竖灰管中，进入到排渣沟中用循环灰水冲至灰渣池。

4 碎煤加压气化炉点火原理

4.1 煤自燃的原理

碎煤加压气化炉开车过程共5步，主要包括蒸汽升温、空气点火、彻氧、提压和并网。其中，空气点火是气化炉开车过程中重要的步骤之一，是气化炉顺利开车的关键步骤。

碎煤加压气化炉用空气点火的设计是结合了煤的自燃原理，煤在空气中长时间堆积就会出现自燃现象。暴露在空气中的煤会逐渐被氧化，由于其氧化过程放出热量，但煤属于非均相物质，所产生的热量不易被传导出去，就会使煤的温度越来越高，受热的煤就会热解，温度就会进一步升高，最终发生自燃。根据燃烧的三要素，当可燃物、助燃物、温度三者并存时，物质就会燃烧。因此，碎煤加压气化炉用空气点火就是利用煤是可燃物的原理，通入蒸汽对其加热，使其加速达到自身的燃点，再通入空气将其点燃，从而完成对气化炉的点火。

4.2 碎煤加压气化点火的过程及原理

过去，碎煤加压气化采用明火点火开车操作，在气化炉的顶部设置2～3个直径为100mm的点火孔，其点火前需预先准备在炉内铺设易燃的木柴、油布等，然后将点燃的火把由顶部的点火孔投入到气化炉内引燃开车，随后逐步加入燃料煤来完成气化炉点火。

现在，碎煤加压气化炉点火的方式是基于煤的自燃和氧化原理，采用空气或氧气点火(目前考虑的煤种及安全的原因主要采用空气点火)。首先，通过炉箅将高压蒸汽从气化炉底部的气化剂管线通入到气化炉内，对气化炉内燃料煤升温，根据升温的情况再通入空气将燃料煤点燃。由煤的自燃原理可知，原料煤温度越高越利于煤自燃，煤层散热越慢越有利于煤的点火。可见，为了顺利点火，对煤层加热和防止其散热是气化炉点火成功的关键。

5 气化炉空气点火的一般操作步骤

5.1 蒸汽升温

缓慢将高压蒸汽经气化剂管线通入到气化炉内，稳定蒸汽流量，逐渐调整气化炉压力，将其设定在0.3或0.4MPa(g)，将压力控制阀投入自动运行，保持压力稳定。气化炉蒸汽升温时，使气化炉的压力保持在0.4MPa(g)，对于气化炉燃料煤的升温有很好的作用。因为设定稳定压力时，可以避免由于压力的波动导致气化炉内的小颗粒被携带出去，使床层平稳，热效提高，也使床层受热均匀，但也要及时排放与煤换热后高温蒸汽的冷凝液。

5.2 空气点火

气化炉空气点火指的是将煤加热到自燃点，然后通入空气将煤点燃。

(1)首先，确认空气点火的重要条件，当气化炉的高压过热蒸汽连续对气化炉内的煤层升温加热达到或超过3h，气化炉出口温度大于100℃以上时，就具备空气点火的条件。

(2)关闭进入气化炉的过热蒸汽，缓慢将开工空气通入到气化炉内，空气流量控制在1 500～2 000Nm3/h之间并保持稳定。用气体分析仪连续分析气化炉出口气体的成分，主要是CO2和O2的含量。若连续几个分析样中CO2>3%且逐渐在增加，O2<16%且在下降，则就可判断气化炉内煤已点燃。继续通入空气，适当配入过热蒸汽调整进气化炉气化剂的温度在120～140℃，半小时后增加空气流量至3 000Nm3/h，此时相应地调整蒸汽流量，以维持气化剂的温度处于稳定。

6 空气点火后存在的问题

按照以上步骤进行空气点火后，化验分析空气点火成功，但当通入蒸汽后仍出现气化炉熄火或者指标长时间不合格的情况。在实践中出现多次气化炉点火熄灭的情况，气化炉点火失败就需要重新开始蒸汽升温等一系列的操作步骤，严重影响了气化炉的开车时间和安全运行。

7 解决办法

经过分析气化炉内煤点火熄灭的情况，认为在点火初期已经确认点火成功，通入蒸汽时反而熄火，造成炉内熄火的根本原因就是蒸汽量的配入过早、过大，使热量被带走，致使煤层温度降低而灭火。因为点火完成初期，着火的床层温度并不算太高，整个床层未能全部点燃，此时只有部分燃料煤被点燃，燃烧反应比较弱。若此时过早地大量增加蒸汽来调节气化剂温度，虽然进入气化炉的气化剂温度是提高了，但是也会由于气流量太大，将气化炉内的热量带出，即气化炉燃烧所产生的热量低于气流带走的热量，使炉内反应热量与损失不平衡，反而将气化炉内煤吹灭，最终导致熄火。即使按照气化剂120～140℃温度来调节，也会出现熄灭的情况。因此，决定在空气点火后再不急于投入蒸汽来调整气化剂温度，而是继续通入空气让其继续燃烧并缓慢增加空气量，让床层温度平稳升高，并且观察气化炉出口氧气的指标，直至气化炉出口氧气指标合格，即氧含量≤0.1%后，再配入蒸汽，这样就可以避免由于蒸汽量过大，导致气化炉煤层熄火，也可以避免氧气指标长时间不合格。某化工企业进行多次实践，都取得了圆满的成功。

在中煤朔州某新建的碎煤加压气化装置气化开车过程中，按照原先的操作步骤，在点火后配入蒸汽，也多次出现点火不成功或氧气指标合格缓慢的情况，严重影响了开车的时间及安全。在改进操作方法后，没有出现过点火不成功的情况，并且气化炉在运行中更安全。在实践中采用这种方式，点火成功率达到了100%，提高了气化炉开车运行的稳定性。

8 结语

在碎煤加压气化炉的点火步骤中，不急于通入蒸汽，待床层温度升高并且氧气指标合格后再配入蒸汽，这种操作方式既可以提高气化炉点火成功率，又可以减少污水和废气的排放，还可以减少公共工程氮气的消耗。在实践生产过程中更安全、稳定，也使广大操作人员的操作更加简便、快捷。