褐煤在壳牌气化工艺下行水激冷气化装置中的应用

鄢 僖，汪云川，唐 博，葛方秋

(呼伦贝尔东明矿业有限责任公司，内蒙古呼伦贝尔 021500)

1 前言

呼伦贝尔金新化工有限公司(以下简称“金新化工”)壳牌下行激冷煤气化装置始建于2014-05， 2016-06-18试车投产。煤气化装置采用荷兰壳牌下行激冷粉煤加压气化技术，设计生产粗合成气中有效气体(CO+H2)为60 000 m3/h，为下游装置补充合成气。该装置主要包括以下工艺单元及过程：原料煤预干燥、磨煤与干燥、粉煤加压输送、煤气化与合成气冷却、除渣、湿洗、灰水处理、公用工程。

煤气化装置开车过程中使用N2进行粉煤加压输送，待负荷提高低温甲醇洗有充足CO2产品气时，将CO2产品气回收代替N2来进行粉煤加压输送，此过程将大幅降低粗合成气中N2含量。

2019-09起金新化工8 000 m3/h空分并氧后SHELL下行激冷煤气化装置氧负荷为设计负荷的93.4%(包含停车期间在内)运转率为94.6%。

Shell下行水激冷气化工艺以干煤粉为原料、纯氧气作为氧化剂，液态排渣，属加压气流床气化。煤粉、氧气在气化炉高温加压条件下发生碳的氧化及各种转化反应。气化炉温度约1 300 ℃～1 500 ℃，炉内的高温粗煤气与渣一同从气化炉底部出来，粗煤气和渣在下降管处利用循环的高压灰水对其进行激冷和洗涤，粗煤气在气化炉渣池浸没洗涤后，经管道输送至湿洗系统，处理后的合成气送后续工序。

2 东明矿业煤质分析数据

为精确调整金新化工SHELL下行水激冷装置工况，呼伦贝尔东明煤矿的原料褐煤自2019-08起每天进行煤质分析，其中截取2020-03分析数据如表1。

表1 东明煤矿褐煤分析数据Tab.1 Analysis data of lignite in Dongming Coal Mine

从表1可以看出，虽然原料均来自东明矿的露天褐煤，但仍存在较大的煤质波动。其中对气化炉运行影响较大的组分单周波动CaO为3.96%、Fe2O3为11.34%、Al2O3为7.31%、SiO2为9.16%、灰分为7.66%。因此，要保证气化装置安稳长满优运行，必须保持对煤质的高度关注并及时调整优化操作控制及石灰石配比。

3 煤质波动

原料褐煤煤质波动对SHELL下行水激冷装置的影响较大，一旦发生煤质波动时应如何调整降低因煤质波动而对设备造成的损害。

3.1 煤质波动对SHELL下行水激冷气化装置影响

以2020-04第三周波动情况为例。由于原料煤倒堆，导致至壳牌装置的原料煤煤质出现大幅波动。这次造成壳牌装置工况大幅波动的原因是原料煤灰分大幅上涨。具体反映到工艺参数中的表现是当高灰分煤入炉后，产生渣量急剧增加，致使气化炉壁挂渣增厚，反应到水汽系统参数变化为热负荷快速下降，为维持渣池厚度必须增加氧煤比，因此氧煤比快速增加约16%，此时CO2上涨至13% CH4下降至140 mg/kg，通过合成气组分作为佐证说明气化炉温度反应已经开始上涨并且温度处于偏高状态，但热负荷上涨并不明显。直至某一刻水汽系统热负荷快速上涨，这说明挂在炉壁上过厚的挂渣瞬间垮落。后因炉壁垮渣热负荷过于高又快速下调氧煤比，直至热负荷稳定，波动期间趋势见图1。

图1 煤质波动期间气化炉工况趋势Fig.1 Working condition trend of gasifer during coal quality fluctuation

此类波动如不及时准确调整极有可能因挂渣过厚造成其没过烧嘴罩导流槽，最终产生翻渣烧损烧嘴罩导致停车。此次波动过程操作存在较大缺陷，氧煤比调整较晚，后期调整幅度过快最终导致气化炉壁垮渣热负荷飙升，这种气化炉垮渣对于SHELL废锅流程气化装置会造成严重影响，对于SHELL下行水激冷气化装置影响相对较小但也存在风险，在垮渣过程中若有大量渣流流经烧嘴罩导流槽同样会造成翻渣烧坏烧嘴罩。

3.2 原煤波动时调整方式

最根本且有效的解决办法是控制褐煤源头，使其在开采倒运过程中保证煤质相对稳定。减少换坑、倒堆次数，每天对原料煤进行煤质分析，做到煤质变化早发现、早调整。

3.2.1 石灰石配比调整

东明煤矿输送原料煤的在煤质变化中，灰分、SiO2、CaO的变化对SHELL下行水激冷装置的影响最大，根据壳牌要求虽然灰分含量控制在8%～35%之间均可以适用于SHELL下行水激冷装置，灰分含量大或小对于壳牌气化炉都可安全稳定运行，但更关键的是入炉煤灰分含量要相对稳定，当灰分含量波动大，气化炉在运行过程中不做调整将非常危险。灰分含量异常变大容易翻渣、溢渣烧损烧嘴罩，严重甚至堵塞渣口，灰分含量异常变小又会烧损水冷壁。所以要做到装置安全稳定长周期运行，就要对煤质进行有效监控，并及时调整石灰石添加比例。

自2019-08起对于东明矿业输送进厂的原料褐煤进行每日煤质分析。并根据每日的原煤分析数据及时调整石灰石添加量。石灰石添加量按照该公式进行计算。

DSP=((2.05+(Aad-11) ×0.1)-0.05)×2.1Hz

式中：DSP——石灰石添加量，%；Aad——原煤分析的灰含量,%；Hz——X1106输入频率。

同时从管理上提高重视，将石灰石添加纳入劳动竞赛严格按比例要求添加，确保渣分析中CaO在15%～23%之间。

3.2.2 氧煤比调整

对于原料煤质波动，氧煤比的调整是最后一道关口，当煤质、石灰石配比发生变化后最终进入气化炉反应时影响到气化炉的操作窗口，会使操作窗口改变、操作范围变窄、容错率降低。此时精准地调节氧煤比尤为关键。

在气化炉工况正常期间，氧煤比调整按照每10 min 2%进行调节。同时参考CO2含量，应控制在9.5%～10.5%。当CO2含量在9.5%～10.5%范围内时按照每10 min 1%进行调节。

当气化炉煤质发生变化引起波动时，应在热负荷偏离初期及时进行调整，在判断气化炉工况确实发生变化热负荷显示为“真值”时应适当加快氧煤比调节速度(但是氧煤比调整每小时调整不得超过±0.02)同时参考合成气组分，重点参考CO2与CH4通过合成气组分判断气化炉内温度已发生明显变化而热负荷变化不大时，应适当放缓氧煤比调整速度，因气化炉内渣层变化需要一个过程，这导致热负荷根据渣层厚度的不同存在一定程度的滞后性。调整时需给渣层变化过程预留些时间，避免过度调整。

4 褐煤在装置制粉加工、储存过程中的安全风险及优化改进

由于褐煤高挥发份、高水含量、活性高、易自燃的特点，在应用过程中存在较高的安全风险，尤其在预干燥单元存在的风险更高。由于预干燥单元的先天工艺问题在褐煤干燥过程中无法使用大量氮气进行保护，预干燥单元在运行过程中只能依靠褐煤中蒸发出的水汽对系统中的空气进行稀释从而实现安全运行的目的，这对操作顺序提出了一定要求，若在操作过程中出现错误极易发生重大安全事故。预干燥单元的风险控制在整个气化过程中非常关键。

4.1 褐煤自燃条件

通过德国泽马格对公司褐煤的研究，在空气中，也就是氧含量为21%的气氛中，金新褐煤的自燃温度约为100 ℃；而在氧含量为13%，金新褐煤的燃点温度至少要在330 ℃以上才自燃。并且褐煤自燃温度其粒径越细，自燃风险越高。氧含量越高，褐煤越容易自燃。温度越高褐煤越容易自燃。

由于预干燥单元运行过程中只能通过褐煤蒸发的水气对氧气进行稀释，在控制措施上可监控系统露点，露点与系统氧含量的对应关系如表2。

表2 露点与氧含量对应表Tab.2 Corresponding table of dew point and oxygen content

4.2 控制措施

从表2可以看出，露点越高，预干燥湿气中氧含量越低，系统越安全；但过高的露点，对应的湿气温度也越高，需要预干燥出口温度越也高。这就形成了一个矛盾统一体；从已有的经验表明，在110 ℃，氧含量只要不高于16%，褐煤自燃风险是可控的。考虑到特殊情况以及开停车波动，预干燥出口温度按100 ℃±3 ℃控制，露点控制70 ℃～76 ℃，对应的氧含量在14.4%～12.5%之间。

当露点低于65 ℃时，湿气氧含量理论达到15.7%，接近16%，此时须打开阻燃氮气，降低氧含量，确保系统安全。

预干燥单元需严格进行过程控制，严格按照先进煤再投蒸汽，先退蒸汽再退煤的顺序进行调整。

预干燥的开车过程相较于停车相对安全，但涉及到的相关重要步骤亦应严格按照操作标准执行，开车预热时，干燥机列管是空的，大量的空气从干燥机吸入，此时干燥机出口温度控制在50 ℃±5 ℃，等待进料，此种情况，称为热备。一旦确定干燥机要进行开车进料，逐步提高干燥机出口温度，一旦干燥机出口达到75 ℃，就必须进行进料。如果干燥机出口达到80 ℃，仍不能进料，须立即切断蒸汽，尽快降低干燥机出口温度，视情况确定是否投用蒸汽进料还是控制50 ℃±5 ℃进行热备。预干燥投料后，预干燥出口温度将会下降，此时，应持续增加蒸汽加入，引风机K2002仍维持最低频率运行，露点将会持续升高。

当露点温度达到70 ℃～76 ℃或者预干燥机进口有大量蒸汽冒出时，方可增加引风机频率，引风机频率的增加，要确保露点在要求范围内或者预干燥机入口端有微量蒸汽外溢为最大允许的频率。

投料后，视预干燥出口温度下降情况增加蒸汽加入量，如果干燥机出口温度上升较快，应增加预干燥的进煤量或者降低蒸汽加入量，逐渐将干燥机出口温度控制在100 ℃±3 ℃，干燥机转入正常运行状态。此时，露点及干燥机出口温度都在要求范围时，可关闭防爆氮气。

4.3 褐煤的储存

通过壳牌装置多次的褐煤自燃火灾教训中了解到，只要是褐煤煤粉暴露在空气中，且堆积的煤粉存在一定厚度时几乎必然会发生自燃。所以在壳牌装置内褐煤的储存，在各个煤仓、煤粉仓内，需始终保持其惰性化。

因计划停车、或公用系统异常等原因不能保证惰性化时，应提前将煤仓、煤粉仓使用惰性气体保压或排空。

因惰性气体紧急中断且煤仓、煤粉仓无条件排空时，至少要保证其封闭，确保其无新鲜空气进入、确保其相关伴热全部关闭，待惰性气体恢复后应第一时间建立惰性化状态。

因检修期间或平时泄漏在设备外的煤粉必须立即清理，不得存留使其暴露在空气中。

5 结论

从目前煤质状况看对于SHELL下行水激冷装置来讲东明矿输送的褐煤煤质变化均在气化工艺可以应用的范围内，但煤质的频繁变化、波动会对工艺操作带来巨大困难，若调整不及时甚至方向错误会对设备造成极大损伤，因此，在稳定原料煤煤质变化、波动的同时应加强对煤质的分析监控，一旦发生变化应做到早发现早调整将损失降到最低。

褐煤具有易自燃的特性，因此在褐煤加工、储存过程中的安全问题应时刻保持警惕。在采取合理有效的防护手段后其安全性亦可得到良好保障。