固定床气化炉掺烧焦炭的生产实践

李爱粉

（河南能源化工集团安化公司，河南 安阳 455133）

0 引 言

河南能源化工集团安化公司下属化肥公司（简称化肥公司）有2套合成氨／尿素装置及供乙二醇生产线使用的水煤气制气装置。其中，水煤气制气装置（供乙二醇生产线）有φ2650mm炉顶取气固定床气化炉8台和φ2800mm固定床气化炉16台，共计24台炉；半水煤气制气装置（供2套合成氨／尿素装置）有φ2800mm固定床气化炉16台和φ3600mm固定床气化炉6台，共计22台炉。化肥公司气化炉所用块煤灰熔点大多在1100～1250℃之间。

众所周知，原料煤成本占煤头合成氨装置生产成本的60%左右，控制原料煤成本对于降低合成氨装置生产成本至关重要。2016年初，由于全国钢铁产能过剩，焦炭价格一路下滑，在这一原料价格利好消息的推动下，公司围绕“保生存、战危机、谋发展，降本增效”这一奋斗目标，严控进厂原料煤的粒度、化学活性、灰熔点、硫含量等质量指标，并采购部分焦炭进行试烧。试烧过程中，针对固定床气化炉试烧焦炭存在的问题开展技术攻关，最终通过摸索确定出了固定床气化炉块煤掺烧焦炭的最佳比例，并通过优化调整气化炉工艺指标，使块煤掺烧焦炭先后在半水煤气、水煤气制气装置中获得成功应用，实现了降本增效的目标。

1 掺烧焦炭前生产系统的基本情况

化肥公司造气系统采用间歇式UGI型煤气发生炉（简称气化炉），主要使用河南能源化工集团内供焦作块煤，无烟块煤在气化炉内通过与气化剂——蒸汽、空气反应制得合格的水煤气和半水煤气，分别供乙二醇系统及合成氨装置使用。2016年初，焦炭市场行情一路下滑，呈现焦炭市场价低于块煤的利好现象。而据统计，2015年12月化肥公司半水煤气实际生产成本为308元／km3，合成氨生产成本为1715元／t，尿素生产成本为1290元／t，当期尿素销售价格在1200元／t左右，略有亏损。为降低生产成本，化肥公司决定采购部分焦炭进行试烧。

2 焦炭与煤炭特性的对比

不同的气化工艺对原料的要求不同，因此在选择煤气化工艺时，了解气化用原料的特性及其影响极为重要。煤炭是古代植物埋藏在地下经历复杂的生物化学和物理化学变化逐渐形成的固体可燃性矿物，是一种固体可燃有机岩。而焦炭是烟煤在隔绝空气的条件下，加热到950～1050℃，经干燥、热解、熔融、粘结、固化、收缩等阶段制得的，这一过程叫高温炼焦（高温干馏）；按照用途不同，焦炭分为冶金焦、铸造用焦和化工用焦3大类。化肥公司试烧的焦炭为化工（气化）用焦，化工（气化）用焦对焦炭强度要求不高，但要求焦炭的反应性好，相应的焦炭的灰熔点也较高。

原料煤（焦）的灰熔点是影响气化操作的主要因素。灰熔点，又称为煤灰熔融性，其与原料中灰分的组成有关，灰分中Al2O3、SiO2含量高，煤的灰熔点就高；Fe2O3、CaO、MgO含量高，灰熔点就低。化肥公司进厂焦炭主要产自河南利源焦化有限公司，其灰熔点分析数据见表1。可以看出，进厂焦炭灰熔点较所用块煤灰熔点高约200℃，两者灰熔点相差较大，实际生产中如何控制灰渣残炭率显得尤为重要。

表1 进厂焦炭灰熔点分析数据 ℃

3 试烧焦炭前的准备工作

（1）焦炭具有吸水性强、不宜露天存放的特点，因此，结合煤场货位存煤情况，提前安排好焦炭的存放货位及考虑货位上煤问题。

（2）选择2台气化炉作为焦炭掺烧试验炉，提前对这2台试验气化炉的油路系统漏点、溜煤管厚度、上行煤气管线、下行煤气管线、旋风除尘器等部位保温情况进行排查及处理。

（3）组织班组人员召开焦炭试烧工作安排会，对焦炭试烧可能存在的问题、注意事项、操作要点、人员安排等进行部署，统一操作思路，同时将焦炭试烧工作与激励考核挂钩，提高操作人员试烧焦炭的积极性。

（4）提前与公司质量检测管理中心联系，在试烧焦炭期间每8h单炉取样做气质分析，并与烧用块煤时的分析数据进行对比，观察气质的变化情况；同时，试烧期间建立工艺指标、工艺调整、气质分析等的专项记录，收集试烧数据，便于后期掺烧焦炭时的数据对比分析。

（5）制定每周召开专题交流会的工作制度，以解决工艺调整过程中出现的问题，统一操作调整思路，对试烧效果定期进行总结与分析。

4 焦炭试烧的操作思路及掺烧比例摸索

4.1 焦炭试烧的操作思路

鉴于焦炭相较于块煤具有固定碳含量高、灰熔点高、挥发分低、化学活性较差的特点，结合焦炭试烧情况，计划逐步提高气化层温度、降低空层高度、控制上行煤气温度、减低炉条机转速，以利于形成灰渣层，降低返焦率。在焦炭试烧过程中，参与试烧工作的操作人员、技术管理人员解放思想，通过逐步摸索优化工艺指标，对存在的问题进行攻关。

4.2 焦炭试烧的掺烧比例摸索

焦炭试烧最重要的是摸索出固定床气化炉块煤掺烧焦炭的最佳比例。因此，试烧过程中，我们按照最佳经济运行模式，以保证气化炉安全稳定运行（控制上行煤气温度在350℃以下）和焦炭掺用量最大为前提，将焦炭与块煤的掺烧比例逐步由1∶1增加至3∶1；并逐步提高气化层温度，降低空层高度，控制上行煤气温度，减低炉条机转速，以利于形成灰渣层，降低返焦率。具体摸索过程如下。

4.2.1 第一阶段掺烧情况

第一个掺烧阶段，在2周时间内，将焦炭与小块煤的掺烧比例由1∶1逐渐增至2∶1，并对2种不同掺烧比例下气化系统的工艺运行参数进行统计与对比，结果见图1。

图1 不同掺烧比例下气化系统工艺运行参数的对比

由图1可以看出：焦炭掺烧量较少时（焦炭与块煤比例为1∶1），受焦炭灰熔点高的影响，部分焦炭未充分燃烧，灰渣残炭率较高；之后随焦炭掺烧比例的逐渐提高，灰渣残炭率呈下降趋势；但随焦炭掺烧比例的逐渐提高，上行煤气温度逐渐升高，与灰渣残炭率呈反相关关系。为此，我们探索继续增加焦炭使用量，以找到最佳操作平衡点。

4.2.2 第二阶段掺烧情况

第二个掺烧阶段，将焦炭与块煤的掺烧比例增加至3∶1，并对焦炭掺烧3种不同小块煤（焦炭∶块煤=3∶1）的工艺运行参数进行统计与对比，结果见表2。

表2 焦炭与3种不同小块煤掺烧（焦炭∶块煤=3∶1）时气化炉工艺参数对比

由表2可以看出：焦炭与焦作小块煤或山西小块煤按照3∶1的比例掺烧时，气化炉的各项工艺指标较为稳定，上行煤气温度在350℃以下（高限运行），达到最佳操作平衡点；而焦炭与鑫龙小块煤按照3∶1的比例掺烧时，工艺指标波动幅度较大，气化炉内炭层高度升高，且焦炭与鑫龙小块煤按3∶1的比例掺烧时，从实际观察到的气化炉运行状况来看，炉条机转速加快，火层被破坏，出现结块、流生炭（焦）现象；进一步进行分析发现，原因是鑫龙小块煤含矸偏高。因此，化肥公司决定加大山西小块煤和焦作小块煤的采购量，搭配焦炭掺烧，以确保气化炉的稳定运行并实现效益最大化。

因焦炭透气性好，掺烧造成上行煤气温度较使用块煤时高110℃左右，达330～350℃，在指标上限运行（上行煤气温度指标为350℃以下），甚至偶尔会出现气化炉工艺调节时上行煤气温度达370～380℃的情况。为此，我们主要通过采用小颗粒块煤（粒度13～25mm）掺烧的方式来弥补焦炭透气性好所带来的问题。

5 试烧过程中出现的问题及处理

（1）上行煤气温度高，造成洗气塔出口煤气温度高。应对措施：据洗气塔出口煤气温度，适时调度开停一循循环水风机，即通过降低循环水温度的方式来降低洗气塔出口煤气温度。

（2）气化炉负荷与蒸汽使用量配比不当，造成气化炉内结块或返炭（焦）率高。应对措施：①气化炉由使用块煤到掺烧一定比例的焦炭要有72h的过渡时间；②掺烧焦炭后，加负荷要缓慢，要根据灰渣情况适时调整蒸汽用量及负荷配比。

（3）焦炭硫含量偏高，脱硫系统阻力上涨。应对措施：①加强脱硫溶液组分的分析频次，保证脱硫溶液组分正常；②加强对脱硫溶液温度、组分的管理，以保证半脱溶液温度在38～42℃，维持变脱溶液温度在38℃左右；③加强煤气温度、气质及喷射器压力的工艺管理，加强脱硫泵、再生泵、变脱泵等设备的管理。

（4）因上行煤气温度过高，上行煤气管线保温着火。应对措施：①严控上行煤气温度在指标范围内；②加强现场巡检，发现着火，立即停炉灭火；③加强设备检修维护力度，避免油压系统管线、油缸漏油；④检修油压系统时，采取措施避免液压油洒落到煤气管线及设备上。

6 结束语

化肥公司在产品市场价格不断下降、生产经营呈现亏损状态的情况下，紧抓焦炭市场价低于块煤的利好机会，大胆尝试，在降低生产成本上狠下功夫，在没有现成经验可借鉴的情况下，对比块煤与焦炭的化学成分，通过反复试验，摸索出焦炭与块煤掺烧的最佳比例，并通过设备消缺和工艺优化调整，最终实现了气化系统的稳定运行；据统计，2016年化肥公司进厂焦炭与块煤平均差价为93元／t，2016年全年化肥公司气化系统共掺烧焦炭83.8kt，则全年原料成本降低779.34万元，焦炭掺烧工作取得了显著的经济效益。另外，长期以来块煤气化的操作经验在操作人员的思维中已根深蒂固，通过此次焦炭掺烧也放开了操作人员的思路，为今后各种原料煤的掺烧打下了良好的基础。