U-Gas气化炉飞灰返炉方案探讨

董文博

(河南省煤气(集团)有限公司 技术中心，河南 郑州 450000)

煤气化技术是当今煤炭洁净、高效利用的主要方式之一，是现代煤化工装置中的重要环节，涉及煤化工装置的正常运行。U-Gas流化床气化技术是美国芝加哥煤气工业研究院(IGT)在20世纪70年代开发研制的煤气化技术[1-2]。U-Gas 气化技术具有煤种适应性广、可利用劣质煤、操作温度低、气化强度大、产品煤气中不含焦油及酚类等诸多优点，是目前比较先进的煤炭气化技术，但该工艺过程会产生大量碳含量较高的细粒飞灰，影响气化炉的碳转化率。因此，气化飞灰能否合理利用，便成为制约U-Gas气化工艺发展的重要环节。

1 气化飞灰产生原因及返炉意义

U-Gas气化技术将煤粉在加压条件下进行气化，原料煤入炉后在高温环境下受热，煤中水分迅速溢出，使原料煤碎裂，生成细粉，同时炉内物料间的相互碰撞和摩擦又会产生细粉，尤其是热稳定性较差的煤，产生的细粉量会更大，再加上为保持炉内物料流化状态的高气速，使大量细粉颗粒来不及参与反应而被气流从气化炉顶部带出，从而产生大量的飞灰。

河南某化工厂采用U-Gas气化技术，气化炉所产生的飞灰量占原料的10%左右，该厂所用原料煤的工业分析和元素分析数据如表1所示。而其气化过程所产生的飞灰工业分析和元素分析数据如表2所示。由飞灰的工业分析数据可知，飞灰的固定碳含量高达44.61%，具有很高的利用价值，如果简单的作为固体废物处理，是极不经济的。飞灰的妥善处理，不仅是环境保护的需求，从提升企业经济效益、降低生产成本方面考虑，将飞灰返炉再利用也是很有必要的。

表1 原料煤的工业分析及元素分析 %

表2 飞灰的工业分析及元素分析 %

2 气化飞灰返炉位置分析

以下采用将气化飞灰分别从加煤口、中心管和分布板三个不同位置返炉进行综合分析和对比，从而选出最为合适的方案。

2.1 从加煤口返飞灰进炉

在加煤管道上开口，配接三通与返飞灰管道相连接，在原料煤从加煤管道进入气化炉时，飞灰由气力输送装置与原料煤一并送入炉内。由加煤口返飞灰，在实际操作中会存在一些问题，因为U-Gas气化炉采用多条管线接替进料的方式加煤，如在所有加煤管线均配接返飞灰管道，则势必随着加煤管线的切换，频繁地调整返粉路线，会给工艺操作带来较多的不确定因素。而若只由一条加煤管线返飞灰，因为返飞灰时和不返飞灰时的炉内反应状态不一样，随着加煤管线的不断切换，气化炉也会相应频繁地调整操作参数，这样就会对生产系统的稳定运行带来风险。

2.2 从中心管返飞灰进炉

在气化炉底部中心管处配接飞灰返炉管道，飞灰与气化剂一并进入气化炉内。该方案的缺点：①因为飞灰粒度较细(平均粒径30 μm左右)，而U-Gas气化炉为了保持炉内物料较好地流化状态，从中心管喷入气化炉内的气化剂会保持较高的气速，所以在飞灰随着气化剂入炉的同时，易被高速向上气流迅速带出气化炉，没有足够的炉内停留时间来参与反应；②飞灰吹送气与入炉气化剂一并由气化炉底部进入，会相对加大气化炉垂直方向的气速，造成带出物过多，影响后续装置的稳定运行。

2.3 从分布板返飞灰进炉

在分布板上开口，飞灰由此处喷入气化炉内。由此处将飞灰喷入气化炉的优点：①飞灰及吹送气由单独的入口进入气化炉内，不会对炉内物料的流化效果造成影响。②通过合理控制气化炉返飞灰系统，可实现飞灰连续返炉，维持气化炉内物料床层，稳定加煤系统操作，进而稳定气化炉工况，最大限度地减少原料煤的消耗。③飞灰可由返飞灰装置直接喷入气化炉内高温区域，能够及时参与反应，大大提高飞灰的碳转化率。

3 结语

通过对各种飞灰返炉方案进行综合对比，可以发现，由分布板开口，将飞灰通过气力输送装置直接送入气化炉内高温区域的方案，是操作工况最稳定、碳转化率最高、经济效益最好的。由分布板开口处将飞灰返炉有以下几点需要注意：①返飞灰口位置应在分布板底部100～300 mm，若开口位置过高，飞灰会随着气流带出气化炉，飞灰在炉内的停留时间过短，反应不完全，而若开口位置过低，则飞灰不能喷入炉内高温区域，亦会导致反应不完全，影响碳转化率；②返灰口气速应控制在8～10 m/s，若气速过低，飞灰在返飞灰口聚集，容易造成结渣，而若气速过高，则会影响飞灰在炉内的停留时间，甚至破坏炉内物料的流化状态。