粉煤氣化技術氣化爐掛渣操作結論

李自恩，張龍，張勝梅，雷尚敏

（陜煤集團榆林化學有限責任公司，陜西 榆林 719000）

煤炭作為我國最大的化石能源，如何高效地利用成為化工行業不斷探索的一個重要問題。而煤氣化作為煤炭高效利用的一種方式，近年來在我國呈現出一片蓬勃發展的現象。各種各樣的氣化技術隨之涌現出來，如GSP、Shell、科林CCG、航天粉煤爐等，不同的氣化技術各有利弊。目前應用最為廣泛的氣化工藝技術主要包括兩種：干煤粉氣流床氣化技術和水煤漿氣流床氣化技術［1］，干煤粉氣流床氣化技術具有廣泛的煤種適應性、有效氣產量高、低煤耗和低氧耗等優點成為煤化工氣化技術的首選［2］。

然而，一定的渣層厚度對于水冷壁盤管的保護和氣化爐長周期穩定地運行具有重要的意義。在實際運行過程中，氣化爐的掛渣一直是一個重點關注的問題，受多因素的影響，有設備的影響，如燒嘴的結構，合理的燒嘴結構使得氧氣和煤粉的整體反混效果更加均勻，可以充分確保從上到下的掛渣效果，實現均勻的“以渣抗渣”的保護作用，也有工藝條件的影響，如媒質的選擇、氣化爐負荷及氧煤比的設定。

媒質的灰分、灰熔點、黏溫特性是作為氣化爐初始掛渣最主要的考慮因素?；曳痔?，不僅會造成重大的成本損失，也會影響氣化爐的氣化效果且產生的灰渣會對水冷壁盤管造成一定的沖刷；低灰熔點的煤質不利于形成光滑致密的渣成，高灰熔點使得液態渣更容易形成，反而不利于掛渣，一般情況下，不同的廠家會選擇添加合適的助劑來改變煤種的灰熔點，使之達到易掛渣的灰熔點；一般情況下，氣化溫度下灰渣的黏度要求為25～40 Pa·s且黏溫曲線較為平穩[3]。熔渣黏度過低,會使得熔渣流動性過快而不易掛渣，黏度太小，容易造成氣化爐渣口堵渣，情況嚴重時，還需停車處理。本文以分析某公司1、某公司2和某公司3在實踐運行過程中，重點從煤種的灰熔點出發，探索如何針對不同操作煤種而成功掛渣的深層次原因，以期為氣化爐更好的掛渣提供一定的思路。

1 掛渣對比

1.1 某公司1的粉煤爐

某公司1依托粉煤爐為操作平臺，探索如何在全燒高硫、高灰分、高灰熔點（“三高”）劣質無煙煤上，不斷探索掛渣方式以實現穩定高效運行。該公司的粉煤爐氣化爐技術采用經典的粉煤頂噴、水冷壁結構，利用“以渣抗渣”的方式來保護水冷壁盤管不被燒穿，是一種普遍的新型粉煤氣化技術［4］。

氣化爐初始開車時，為保證水冷壁在裸壁狀態下不損壞，其在試車投運前初始方案為：采用劣質煤進行初始掛渣，等到初始掛渣結束后再轉為使用“三高”無煙煤進行生產運行。某公司1針對其他裝置實際運行工狀，并對大量煤種進行了采樣分析判斷，發現如果按開始方案進行初始掛渣，將在投產運行后將面臨替換渣層的艱巨困難，而且周期比較長，會直接影響到以后某公司1粉煤爐的長周期穩定運行。經過多方的數據論證，并對其他粉煤爐進行了多次調查研究，最終采用了高硫末煤初始掛渣。并首次采用無煙煤一次投料掛渣成功，在6年的實踐運行中，氣化爐安穩運行良好，停爐進入爐膛觀察到渣層平滑致密，掛渣狀態良好。

1.2 某公司2的粉煤爐

某公司2為了解決水冷壁掛渣問題，采購灰熔點相對較高、黏溫特性好的原料煤進行掛渣試驗，使水冷壁外表面形成一層厚度均勻、熔融凝固光滑渣層，從而對水冷壁起到有效的保護作用，延長水冷壁使用周期。

1.2.1 選擇合適的灰熔點

煤的灰熔點是氣化爐掛渣效果的重要影響指標，而配煤是改變單一煤種灰熔點的一種重要手段。某公司2選擇紅慶河與長灘兩家煤種。由圖1可以明顯看出，紅慶河與長灘的配比中，隨著紅慶河煤的占比增加，流化溫度逐步降低，配煤比在7∶3前，配煤的灰融溫度一直保持在1 350 ℃以上。在掛渣時，需要滿足操作溫度大于配煤的灰融溫度50～100 ℃左右，而粉煤爐的操作溫度在1 400 ℃左右。根據表2中不同配煤比下的特性溫度對比分析后，當紅慶河與長灘配煤比例為7∶1時，配煤的灰融溫度達到1 280 ℃，該灰融溫度較為適用于粉煤爐掛渣。

圖1 配煤比與流化溫度的變化曲線

表1 不同配煤比下的特性溫度

表2 氣化爐工況參數

1.3 某公司3的粉煤爐

為解決掛渣問題，某公司3按表2計算氣化爐掛渣負荷，按平均為50%，注煤量為50 t/h，儲備的原煤能夠滿足掛渣需求。氧煤比會直接關系到氣化爐反應室內的爐溫，氣化爐反應室爐溫會對氣化爐水冷壁的掛渣情況產生重要影響［5］.

在氣化爐掛渣期間，應嚴格遵守氣化爐內溫度。有必要結合粗渣樣品、甲烷值、二氧化碳參數等進行綜合分析，以確定氣化爐的溫度是否合適。在爐溫和汽包蒸汽生產的正常條件下，將甲烷指數盡可能控制在（200～800）×10-6更為合適，氧氣的添加與高壓蒸汽投用量應控制在2～4 t/h；要求5.4 MPa蒸汽管網壓力大于5.0 MPa。掛渣之初，汽包蒸汽長時間不應大于12 t/h，汽包蒸汽會隨著掛渣的形成逐漸變小。在掛渣良好的前提下，汽包自產蒸汽約4～6 t/h左右。盤管的水密度也會隨著掛渣呈現上升趨勢，需要保持主盤管密度不小于600 kg/m3，渣口盤管密度不小于800 kg/m3，爐蓋盤管密度不小于650 kg/m3。若主盤管密度長時間維持600 kg/m3的狀態，說明并未掛上渣或氣化爐溫偏高，需要及時調整。

2 選擇合適的工藝條件

由于氣化爐水冷壁掛渣松散、高溫區部分澆注料脫落，水冷壁盤管暴露在高溫環境中，完全靠水冷壁盤管外壁掛的松散渣保護水冷壁盤管。這種情況經不住高溫侵蝕或高溫操作，而采用高灰熔點的原煤進行掛渣必須要提高溫度，操作溫度達到灰熔點以上才行。但是，在掛渣提溫過程中極有可能使原有松散渣層脫落，若此時盤管又沒有澆注料保護，盤管很可能因受高溫侵蝕而燒損泄漏，因此不建議采用高灰熔點的原料煤進行直接掛渣［5］。

采用高灰熔點原煤掛渣的最好時間是水冷壁盤管外面澆注料完好的情況下。這樣在掛渣過程中短時間的高溫情況水冷壁盤管有澆注料進行保護（SiC澆注料短時間內可承受1 400 ℃高溫），盤管不至于受高溫侵蝕燒損泄漏。掛渣時，爐溫和汽包產汽量也可作為一項重要的參考依據。

掛渣時操作溫度要求達到1 300 ℃以上，爐膛插入式溫度可能會達到報警值，剛開始掛渣時，爐膛溫度較高，短時間內可能達到1 000 ℃，但會隨著掛渣有下降趨勢，掛渣良好的情況下，插入式溫度約500～600 ℃左右；氣化爐掛渣期間，嚴格遵守氣化爐不能超溫，爐溫超過1 000 ℃應進行干預，不能長時間進行高溫操作。若爐膛溫度持續高溫而沒有下降趨勢，這時要結合粗渣樣等進行綜合分析判斷操作爐溫是否合適，盡快調整到合適范圍；爐膛埋入式溫度不長時間大于600 ℃，埋入式溫度會隨著掛渣有下降趨勢，掛渣良好的情況下埋入式溫度大約400 ℃左右，若爐膛溫度持續高溫而沒有下降趨勢，這時要結合粗渣樣等進行綜合分析判斷操作爐溫是否合適，盡快調整到合適范圍［6］。

3 結果與討論

為了使氣化爐能夠更好地掛渣，一種方法使選擇合適的煤種進行先期掛渣，待掛渣完成后，再選擇操作煤種，如某公司1；另一種方法使調整操作煤種的灰熔點，可以添加助劑，也可以選擇不同的煤種進行配比，使得調整后的灰熔點易于掛渣。

操作溫度也是影響掛渣的一種因素，因此，快速準確地找對應煤種的操作溫度點至關重要。若操作爐溫過高，那么煤灰黏度低形成完全的流動狀態，就無法形成掛渣層，且爐溫操作過高后對燒嘴和水冷壁的使用壽命會造成很大的影響［7］。倘若操作爐溫過低，未達到灰熔點以上溫度，長時間操作會導致SiC澆注料被煤灰沖刷減薄或脫落，這樣水冷壁盤管就完全暴露在高溫環境中，既要承受一定的高溫，同時又被煤灰沖刷，這種情況非常不理想的，極易導致盤管燒穿泄漏。更換煤種時，計算爐期，控制原料煤灰含量在8%～16%之間，最小允許低于9%，灰分熔點應高于1 250～1 350 ℃。在作業中，及時關注原煤的煤質變化，并參考粗渣樣品，及時修訂工藝作業指標。

在掛渣操作過程中，要盡可能提高汽包循環水流量，只有大流量強制循環帶走的熱量相對較多，才有利于初始掛渣。某公司2實踐掛渣結果顯示：為得到適宜的掛渣，操作普通煤質時掛渣不能惡性掛渣，一般溫度控制比灰熔點高50 ℃，要控制好掛渣控制溫度，氧煤比，便能產生高溫熔融流動的熔渣，順水冷壁外表面SiC耐火材料重力方向下流，當渣層較薄時，由于耐火材料和金屬銷釘具有很好的熱傳導作用，渣外表層冷卻至灰熔點固化附著，當渣層增厚到一定程度時，熱阻增大，傳熱減慢，渣層溫度降低到灰熔點溫度以下時熔渣聚集增厚，這樣不斷地進行動態平衡［8］，實現了“以渣抗渣”有效保護了水冷壁不受高溫燒蝕、不受熔渣磨蝕以及不受反應腐蝕，使得水冷壁使用壽命延長，所以掛渣時間時長不好界定。

其次，通過“渣流動”的方式，燃燒室的換熱器件不需要暴露在高溫環境中，固體爐渣保護層在運行過程中也可以實現自我修復，如使用外側水冷壁，壽命也可增長，維護簡單方便，避免了氣化爐定期更換換熱器件帶來的投資和停車。某公司3的氣化爐運行條件結果顯示：在氣化爐壓力在特定的4.0 mPa，爐膛的受熱體積等條件一定的情況下。采用水冷壁冷卻水循環，依靠鍋爐外部余熱間接交換和回收。它可以實現氣化爐內更穩定的掛渣，形成良好的流場和溫度分布，使其耐壓性增強，為企業節約成本，氣化爐運行也更長期、更穩定。