壳牌煤气化装置灰渣残碳量高的原因分析与解决措施

姜 杨

(同煤广发化学工业有限公司，山西 大同 037000)

引 言

在高温以及高压的条件之下，煤粉、氧气和较少的蒸汽在特定压力条件下被输送至气化炉装置之中，并且在非常短时间之内提升温度以脱出煤粉中的挥发分，完成裂解、燃烧以及转化等反应。因为气化炉装置中温度相对较高，所以，当有氧气存在时，煤粉中的碳以及挥发分等主要是发生燃烧反应，当氧气全部消耗完以后，发生碳转化反应，此阶段也是气化阶段，所得产物主要为CO气体与H2气体。若灰渣之中的残碳量相对较多，说明较多的碳未能进行气化反应，这样不仅导致大量资源被浪费，也使得CO气体以及H2气体产物数量有所减少，会给企业带来一定的经济损失。

1 壳牌煤气化系统具体运行状况分析

1.1 灰渣残碳量高

我公司煤气化系统于2014年9月份开车运行，在2015年4月正式投产使用。在壳牌煤气化装置运行时一直存在灰渣残炭量高的问题，灰分之中的残碳量高达16.5%，而渣分之中的残碳量高达3.9%，远远超出了残碳量设计值。因为灰渣之中残碳量相对较高，导致系统运行中气化效率和碳转化率相对较低，使得系统运行过程中成本投入相对较高，同时，灰渣里面残碳量对火炬装置同样造成了不利影响，导致系统运行的安全隐患有所增加。另外，没有进行碳转化反应的这些残碳会吸附在过滤装置滤芯之上，使得过滤装置的压差有所增加，而且也明显减少了滤芯的使用寿命。一些粒径小于3 μm的煤粉颗粒会进入到湿洗系统之中，导致水处理系统负荷进一步增加。针对煤气化装置中灰渣残碳量进行取样分析，得出结果如表1所示。

表1 煤气化炉装置总灰渣残碳量抽样测试数据

1.2 煤种分析

现阶段，由于受到受到各种因素的影响，我公司壳牌煤气化系统运行中所使用的原料煤为较为劣质的褐煤，煤质分析具体数据如表2所示。

表2 煤质分析数据

通过上述数据能够看出，在壳牌煤气化系统中实际使用的煤质和原料煤设计值存在相对大差异，实际使用煤种发热量相对较低，而且含灰量相对较高。

2 壳牌煤气化装置灰渣残碳量高的具体原因

在2015年壳牌煤气化系统运行时存在灰渣残碳量较高的问题，其中主要原因包含以下几点。

2.1 气化炉炉膛温度较低

由于炉膛中温度相对较低，导致很多碳没有发生转化反应，使得灰渣之中碳含量相对较高。系统运行时激冷比为1∶1，废热锅炉装置的入口温度仅仅为550 ℃～580 ℃左右，但是气化炉炉膛的设计温度为650 ℃左右，而且在初合成气体之中二氧化碳气体所占比例仅仅不足5%，而其设计值为10%，说明了气化炉的炉膛温度相对较低，导致气化反应不完全，使得灰渣中残碳量增加。另外，渣层也非常厚，厚度值可达5 cm左右，也从侧面证明了气化炉炉膛中的温度相对较低，导致煤粉不能完全反应，从而使灰渣中残碳量较高[1]。

2.2 煤粉计量不精确

在壳牌煤气化系统运行过程中，最为关键的是应当严格控制氧煤比例，以确保气化炉装置之中的温度以及合成气成分的有效控制，保证以液态形式完成排渣工作。在对氧煤比进行控制时，其是在维持输送至气化炉炉膛之中氧气量固定情况下，采取调节煤粉数量的方法控制氧煤比，以对反应深度进行调节，确保气化炉装置中炉膛温度适宜，并保证气化效率得以提升。氧气的计量相对来说较易控制，也较为准确，不过，在进行煤粉计量过程中却存在较大误差，这将严重影响到炉膛温度以及煤气化效率[2]。

因为气化炉装置中烧嘴部件和径向的夹角值是4°，当煤粉颗粒经由一定的压力喷射到气化炉装置中，会受到高速氧化剂剪切以及雾化作用，从而出现交叉状的射流，最后以锥形射流形式逐渐朝着气化炉炉膛中心位置扩散，并且在中心形成切圆，烧嘴的根部位置会形成回流，这样更加有利于煤粉发生稳定的着火与燃烧，烧嘴分布示意图如图1所示。

图1 烧嘴分布示意图

在我公司壳牌煤气化系统运行过程中，煤管中煤粉输送速率远远超出7 m/s，导致煤粉停留时间相对较小，煤粉无法充分反应，而且炉膛之中反应介质速度场存在不均匀分布的问题，使得煤粉无法充分燃烧，煤粉气化的效率较低。在停炉查看之后发现，烧嘴部件的下方位置渣层厚度存在不均匀现象。

2.3 烧嘴运行不够稳定

在壳牌煤气化系统之中，气化炉装置的烧嘴呈水平对称分布，这样能够确保煤粉以螺旋状上升，使得煤粉能够更为充分的燃烧。然而，2015年我公司壳牌煤气化系统中气化炉烧嘴的同时在线率却相对较低，使得炉膛之中气流出现不均匀的问题，存在严重的偏流现象，导致煤粉燃烧不够均匀，使灰渣中残碳量较高[3]。

2.4 氧气温度偏低

我公司运行的壳牌气化炉系统设计进炉氧气温度为180 ℃，但是，在壳牌煤气化系统运行过程中却未能加设氧气预热装置，使得火焰的中心温度偏高，导致气化炉中其余部位温度也相对较低，灰渣之中的残碳量也会随之增加。另外，由于氧气温度偏低，使得实际氧煤比出现偏低的问题。

3 煤气化装置灰渣残碳量高的解决措施

3.1 提升反应的温度值以及压力值

通过有效提升氧煤比能够显著增加气化炉炉膛之中温度值，从而加快煤气化反应的速率，以有利于正反应顺利进行。通过提升氧煤比还能够有效增加废气锅炉入口位置的烟气温度，会使得蒸汽产量有所增加。另外，通过提升气化炉装置压力值同样能够推动气化反应的进行，确保碳转化率进一步增加，气化反应的效率也会得到改善，从而使得灰渣中残碳量所有降低。

3.2 保证煤线计量的精确性

重新对煤循环进行调整，确保全部煤线输送至气化炉中的燃煤数量保持一致，同时确保气化炉装置之中气流场能够保持均匀，精确控制单烧嘴氧煤比，使全部煤线均投入生产，保证负荷的一致性。这样便能够保证气化炉装置之中气流保持稳定，从而使煤粉能够和氧气更为充分接触，有利于燃烧效率和气化效率的进一步提升，从而确保灰渣中残碳量有所减少。

3.3 增设氧气预热装置

通过增设氧气预热装置能够有效避免烧嘴部件发生腐蚀，确保烧嘴使用寿命显著增加，同时促使气化炉装置中反应温度的进一步提高，从而保证实际进入到气化炉之中的氧气量更为精准。

4 壳牌煤气化装置改造之后效果分析

在经过上述各项技术措施改造之后，壳牌煤气化系统中气化炉装置的灰渣残碳量显著减少，达到了设计要求，后期经过测试得出灰中残碳量均小于2%，渣中残碳量均小于1%，具体测量数据如表3所示。

表3 煤气化炉装置改造之后总灰渣残碳量抽样测试数据

5 结语

结合我公司壳牌煤气化系统的具体运行状况，针对壳牌煤气化系统运行中存在的灰渣残碳量高这一问题加以深入分析与探讨，同时制定了相应的措施，确保灰渣残碳量最终达到了设计要求，系统中灰份的残碳量控制在2%之内，渣份的残碳量控制在1%之内。通过上述技术改造，不仅有效节约了煤炭资源，还能确保壳牌煤气化系统更加安全与稳定的运行，同时拥有极为显著的经济效益以及社会效益。