关于粉煤气化炉配煤的研究

代玮（武汉江汉化工设计有限公司，湖北 武汉430223）

由于石油价格较高，作为富煤少油的国家，以煤制气受到了业界众多的关注。在选择煤气化方法时，Shell粉煤气化技术是第三代洁净煤气化技术的代表。由于Shell 法采用干粉加料并以水冷壁取代耐火砖，所以炉温可以较Texaco 法提高100～200℃，因而对煤质的要求相对较为宽松，气化效率、碳效率均较高，氧耗较低，因此被业界看好。煤的品质对气化炉的操作是最为关键的一个因素，气化炉运行大部分问题都可以从煤的根源上去寻找原因，壳牌气化炉是粉煤气化炉的代表，以下以壳牌炉为例，就气化煤质影响以及配煤问题进行探讨。

1 Shell煤气化工艺简述及煤种基本要求

Shell 煤气化工艺以煤粉为原料、纯氧作为气化剂，液态排渣，属加压气流床气化。原煤经破碎碾压至5-90µm，同时经过热风干燥，用氮气送进气化炉进行反应。煤粉在炉内1400-1500℃的温度范围内发生化学反应，产生的渣变成液态排出。从气化炉出来的合成气中携带少量灰份颗粒，在高温高压陶瓷过滤器中分离除去。操作时水冷壁上形成一层渣膜，可以保护气化炉耐火衬里不受侵蚀。

Shell 煤气化工艺原料是干煤粉，对煤种的适用范围广，对煤的活性几乎没有要求。但实际上由于我国幅员辽阔，煤种变化丰富，煤的各种性质制约了气化反应的进行，在气化过程中发生了各种现象，使得壳牌气化炉最初的运行周期相当短。随着对壳牌气化技术的逐步掌握，我们对出现的各种问题进行研究和探索，逐渐发现了煤种性质对气化反应产生的影响，通过对煤种性质的掌握，来调整气化炉的操作。

不同煤种对工况将会产生相应的影响，如白煤的可磨性指数低，造成磨煤机振动大；无烟煤灰熔点高，造成炉内结渣；煤中钠、钾含量高，造成换热器积灰等现象；通过深入研究煤的性质对气化炉操作的干扰，来采取相应的措施以不断优化工况。以下分别针对一些影响气化炉工况的煤种性质进行了分析和总结，同时对配煤的优点和可操作性进行了阐述。

2 煤的碳含量对气化反应的影响

煤的主要成分是C、H、O、N、S，碳含量直接影响煤的热值，尽管壳牌气化炉对煤的热值没有特殊的要求，但是较低的碳含量意味着煤中的灰分高，通常需要消耗更多的热量来加热灰分，使灰分保持液态，来稳定工况的运行。反之，如果碳含量过高，意味着能够成渣的灰分含量过低，可能导致没有足够的液态渣来覆盖气化炉的水冷壁，而壳牌炉的核心特点之一就是要通过“以渣抗渣”来保护关键设备气化炉，提高其运行寿命，而液态渣即是灰分的产物。

3 煤的挥发分对气化反应的影响

一般较老的煤挥发分较低，而年轻的煤挥发分含量较高。挥发分的高低一定程度上反应了煤的活性。在气化炉的高温作用下，煤的挥发分在入炉的瞬间就完成了挥发分的热解和燃烧，如果挥发分过高，虽然煤的活性升高，反应变快，但是从气化的角度上来说，煤的挥发分在炉内快速热解，而气化炉内气体的停留时间短，热解的气体可能来不及进行气化反应就直接进入后系统，对气化反应以及气体产品质量的控制会受到影响。反之，挥发分过低，则有可能煤的活性较差，在炉内有限的反应时间里，转化率受到影响，使得炉渣和飞灰中碳含量升高，碳的转化率下降。

4 煤种灰分对壳牌炉操作的影响

受供煤影响，一些厂家会采购到劣质煤，通常来说，这意味着煤中平均灰份增加，灰份的变化更加剧烈，使得配煤的操作窗口变小,影响壳牌装置的稳定运行，使得运行周期变短，气化炉的可靠性变差。煤种的变化影响气化炉挂渣的控制。根据对煤种的分析，煤中元素SiO2/Al3O2＞1.8，煤渣粘度在2.0-25Pa.s间，煤的操作弹性空间最大，有利于气化炉内挂渣。壳牌公司曾经针对煤种成分对渣流动性的影响做过研究分析，通过试验发现煤中的SiO2/Al3O2比对熔渣的性质影响比较明显，当煤种的SiO2/Al3O2大于1.8时，气化炉温度的操作空间逐渐变大，气化炉的操作弹性可以从100 度达到300 度，也就是说煤中硅铝比至少要大于1.8，这样使得气化炉的操作弹性变大，渣的粘度可以控制的恰到好处，有利于气化炉内挂渣。针对灰分的影响，会考虑采用以下的操作方法：

（1）降低煤种变换的频率。

（2）增加对原煤和烧嘴进煤的采样分析次数，确定入炉煤种灰份含量和灰熔点。

（3）根据灰熔点来调整需要的助熔剂量或者配煤比例。

（4）如气化炉操作窗口变窄，则需密切关注以下几点，以辅助判断气化炉内温度情况，防止炉内温度过高或过低。

1）渣的外形（针状，大渣块，或者过多细渣）；

2）渣池循环水密度（细渣是否过多）；

3）渣池两端的差压（判断渣口是否堵渣）；

4）合成气冷却器进出口差压和合成气冷却器环隙密封板两端的差压（判断合成气冷却器入口是否堵塞）；

5）合成气冷却器入口温度和出口温度；

6）气化炉蒸汽产量（这个值应尽可能保持稳定来保证气化炉内渣层的稳定。煤中灰份的大幅度波动也会影响渣层的厚度）；

7）缓慢调整生产负荷，来保证气化炉内渣层的稳定；

8）石灰石的添加量。在需要添加石灰石的情况下,灰份的波动会影响助熔剂（石灰石）的添加量。同样，灰份的波动和助熔剂添加量也会影响渣层的厚度，在灰份波动时添加助熔剂很容易造成添加过量或是不足。

5 气化炉配煤的探讨

每年冬季，尤其是在春节前后，煤的供应和价格都会受到很大的影响；因此不可避免的导致使用的煤种会不断变化，由于煤的供应不足或者价格增长，有些时候可能被迫使用品质不好的煤。通常来说，这意味着煤中平均灰份增加，灰份的变化更加剧烈，煤/配煤的操作窗口变小,这些都将导致非常窄的操作窗口，影响装置的稳定运行能力，因为通常需要花费更多的注意力来保证气化炉在操作窗口内运行。如何尽量减小因煤种的变化而导致生产工艺各个环节的负面影响，是需要不断探索的道路。尽管我们通过优化工艺指标、提升操作水平、加强上下游合作来改善了煤种变化的影响，但核心手段还是要从煤这个源头来控制才能达到更优的效果。由于煤的性质差异较大，我们对不同的煤种性质进行了分析，包括元素分析、工业分析、灰分成分分析等，采取了将不同煤种进行比例配合来进行试验操作，以探索如何来降低单一煤种的局限性影响。

通过配煤试验，我们发现将两种不同性质的煤种按照一定比例配合后，可以降低某一种煤种性质波动的影响，尽量使其维持在工况需要的范围内，对气化炉的稳定操作起到了积极的作用，并且可以随时调整比例以适应单一煤种变化的影响。除此之外，随着气化炉运行的逐步稳定，对于厂家来说，需要的不仅是单纯的提高运行周期，还需要研究如何提高入炉煤的产气量。为了提高壳牌炉的运行效益，对入炉煤种进行混配，通过摸索找出合适的配比，提高吨煤产气量，可通过调整配煤来实现。通过配煤后，不仅可以将不同性质的煤种进行混配，提高气化炉的运行效率和经济效益，也有助于避免单一灰分含量低的煤影响炉膛不挂渣，防止单一灰分含量高的煤影响合成气冷却器积灰情况的发生。配煤的可行性及发展前景在行业值得进一步挖掘和探讨。但是需要注意的是，在配煤的过程中，要防止灰熔点差别大的煤进行混配，因为在炉温的控制上，会形成高灰熔点煤难熔而低灰熔点煤粘度太低的尴尬局面，对炉膛的挂渣不利。

6 结语

总而言之，要保持气化炉的稳定运行，控制好煤种是关键，因为气化炉操作大部分问题主要还是由煤种的变化导致的，如积灰、堵渣等。无论是预见性的掌握煤种的性质还是通过配煤来优化工况，都要在平稳的状态下过渡，避免煤种波动频繁，入炉的煤种控制好了，整个装置的运行状态平稳，系统达到平衡，运行周期也一定会得到不断提高。